O particulă ultragrea ar putea elucida unul dintre cele mai mari mistere din astrofizica modernă: ce este, de fapt, particula Amaterasu și cum a ajuns pe Pământ cu o energie considerată până acum imposibilă.
Razele cosmice de energie ultraînaltă sunt particule din spațiu care se izbesc de Pământ cu energii mult mai mari decât orice ar putea produce acceleratoarele de particule construite de om. Printre cele mai extraordinare exemple se numără „particula Amaterasu”, care a fost detectată de Telescope Array, în Utah, în 2021, și numită după zeița soarelui din mitologia japoneză. Energia sa raportată o clasează printre cele mai puternice evenimente de raze cosmice observate vreodată, plasând-o în aceeași categorie rară ca „particula Oh-My-God”, înregistrată în 1991. Cu toate acestea, oamenii de știință încă nu știu de unde a venit sau chiar ce a fost exact.
Importanța acestei ipoteze este uriașă: dacă se dovedește că raza cosmică este un nucleu ultragreu, și nu un proton, oamenii de știință ar putea înțelege în sfârșit tipologia exploziilor cosmice care o generează. Dar de ce contează asta pentru noi? Pentru că aceste coliziuni extreme sunt, de fapt, marile forje ale cosmosului. Înțelegând aceste cataclisme, aflăm exact cum au fost create elementele grele din care este alcătuită planeta noastră și chiar propriul nostru corp, testând totodată legile fizicii într-un „laborator” de o violență pe care nu am putea-o reproduce niciodată pe Pământ.
Ce este particula Amaterasu și de ce originea ei a derutat astronomii?
O nouă cercetare condusă de oameni de știință de la Penn State și publicată în Physical Review Letters sugerează că unele dintre razele cosmice cu cea mai mare energie ar putea fi nuclee atomice mai grele decât fierul. Nucleele atomice sunt centrele compacte ale atomilor, formate din protoni și neutroni. Ele dețin aproape toată masa unui atom, ocupând doar o mică parte din volumul său total.
Conform calculelor echipei, aceste nuclee ultragrele ar putea pierde energie mai lent decât protonii sau nucleele mai ușoare în timp ce traversează spațiul intergalactic. Asta înseamnă că ar putea supraviețui călătoriei către Pământ, păstrând în același timp cantități extreme de energie. Lucrarea, realizată împreună cu colaboratori de la Institutul Yukawa de Fizică Teoretică din Japonia, Virginia Tech și alte instituții, ar putea ajuta oamenii de știință să identifice tipurile de obiecte cosmice suficient de puternice pentru a lansa astfel de particule.
„Razele cosmice de energie ultraînaltă pot fi accelerate doar de unele dintre cele mai puternice surse din univers. Când detectăm particule individuale de raze cosmice, cum ar fi particula Amaterasu, aici pe Pământ, putem adesea folosi energiile lor, direcțiile de sosire și deviațiile magnetice preconizate pentru a deduce posibilele lor surse cosmice.”, a declarat Kohta Murase, profesor de fizică, astronomie și astrofizică la Penn State Eberly College of Science și liderul echipei de cercetare, citat de publicația Science Daily.
Nu este un proton, ci un nucleu atomic mai greu decât fierul
Particula Amaterasu a fost deosebit de dificil de explicat, deoarece direcția estimată de sosire a acesteia duce într-un vid cosmic, o regiune a spațiului fără o sursă clară capabilă să producă raze cosmice de energie ultraînaltă. Descoperită inițial ca provenind dintr-o regiune complet lipsită de galaxii – cunoscută drept Vidul Local –, originea particulei a rămas neclară tocmai pentru că un simplu proton și-ar fi pierdut energia pe un traseu atât de lung și gol.
„Originile și mecanismele de accelerare ale razelor cosmice de energie ultraînaltă se numără printre cele mai mari mistere din domeniu de peste 60 de ani, de când a fost raportat primul exemplu”, a spus Murase.
Aceste particule rare pot depăși 100 de exa-electronvolți, sau 100 de quintilioane de electronvolți. Acest lucru le face cu aproximativ 7 ordine de mărime, sau de 10 milioane de ori, mai energice decât particulele accelerate în interiorul Marelui Accelerator de Hadroni, cel mai mare și mai puternic accelerator de particule din lume. Particula Amaterasu a fost raportată la aproximativ 240 de exa-electronvolți, ceea ce conferă unei particule minuscule de raze cosmice aproximativ energia cinetică a unei mingi de tenis care se mișcă rapid. Acest lucru o face una dintre cele mai energice raze cosmice detectate vreodată.
„Se crede că aceste raze cosmice cu cea mai mare energie provin din surse astrofizice extreme, cum ar fi coliziunea a două stele neutronice sau colapsul unei stele masive. Luând în considerare multe evenimente de raze cosmice, distribuția energiei lor, modelul direcției de sosire și compoziția dedusă statistic oferă indicii importante despre proveniența acestor particule și modul în care sunt accelerate.”, a spus Murase.
Simularea particulelor extreme
Pentru a investiga ce tipuri de particule ar putea ajunge încă pe Pământ la energii atât de extraordinare, cercetătorii au efectuat simulări computerizate detaliate. Ei au modelat modul în care particule de dimensiuni diferite ar câștiga sau ar pierde energie în timp ce călătoresc prin spațiul intergalactic.
„Cercetarea noastră a arătat că, la energii comparabile cu cea a particulei Amaterasu, nucleele ultragrele pierd energie mai lent decât protonii sau nucleele de masă intermediară, ceea ce le face mai capabile să supraviețuiască distanțelor cosmice și să ajungă pe Pământ la energii extreme. Nu spunem că toate razele cosmice de energie ultraînaltă sunt nuclee ultragrele. Dar dacă unele dintre evenimentele cu cea mai mare energie sunt nuclee ultragrele, acest lucru ar avea un impact asupra modului în care căutăm sursele lor.”, a spus Murase.
Calculele echipei stabilesc, de asemenea, noi limite privind cât de mult pot contribui aceste nuclee ultragrele la populația totală de raze cosmice de energie ultraînaltă observate.
Origini cosmice violente
„Cele mai promițătoare locuri pentru producerea și accelerarea unor astfel de nuclee ultragrele sunt moartea stelelor masive care implică colapsul exploziv în găuri negre sau stele neutronice puternic magnetizate, precum și fuziunile binare de stele neutronice cunoscute ca fiind puternice emițătoare de unde gravitaționale„, a spus Murase.
„Aceste fenomene cosmice violente pot alimenta, de asemenea, explozii de raze gamma, care se numără printre cele mai energice explozii din univers. O contribuție din partea acestor surse ar putea ajuta, de asemenea, la explicarea unei posibile diferențe observate între cerul nordic și cel sudic în spectrul razelor cosmice de energie ultraînaltă. Dacă nucleele ultragrele contribuie semnificativ la cele mai înalte energii, datele viitoare ar trebui să indice o compoziție mai grea decât fierul.”, a mai adăugat Murase.
Observatoarele viitoare ar putea fi capabile să testeze aceste idei. Murase a spus că instalațiile de nouă generație, inclusiv AugerPrime propus în Argentina și Observatorul Global de Raze Cosmice propus, ar putea căuta semnăturile prezise. Lucrări teoretice suplimentare privind exploziile cosmice care implică găuri negre și stele neutronice puternic magnetizate ar putea, de asemenea, să ajute la dezvăluirea locului în care se nasc razele cosmice de energie ultraînaltă.
Prin urmare, elucidarea naturii particulei Amaterasu depășește simpla clasificare a unei raze cosmice; devine instrumentul prin care viitoarele observatoare vor decoda fuziunile de stele neutronice și coliziunile extreme din Univers.
Megastructuri extraterestre în jurul găurilor negre: ideea îndrăzneață discutată de specialiști la MIT
O nouă teorie despre materia întunecată ar putea rezolva mai multe mistere cosmice deodată
Oamenii de știință au identificat meteoritul rar care a provocat dispariția dinozaurilor, în urmă cu 66 de milioane de ani
Atmosferă incredibilă, descoperită pe o exoplanetă stâncoasă din zona locuibilă, aflată la doar 49 de ani-lumină de noi
În 1993, Rusia a construit o oglindă gigantică în spațiu ca să transforme noaptea în zi — iar acum s-ar putea să o luăm de la capăt
