Detekterer kosmiske stråler fra en galakse langt, langt væk

I en artikel offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab , Pierre Auger-samarbejdet har endegyldigt besvaret spørgsmålet om, hvorvidt kosmiske partikler kommer fra uden for Mælkevejsgalaksen. Artiklen, med titlen "Observation af en storstilet anisotropi i ankomstretningerne for kosmistråler over 8 × 1018 eV", bemærker, at undersøgelse af fordelingen af ​​de kosmiske strålers ankomstretninger er det første skridt til at bestemme, hvor ekstragalaktiske partikler stammer fra.

De samarbejdende videnskabsmænd var i stand til at lave deres optagelser ved hjælp af det største kosmiske stråleobservatorium, der nogensinde er bygget, Pierre Auger-observatoriet i Argentina. Inkluderet i dette samarbejde er David Nitz og Brian Fick, professorer i fysik ved Michigan Technological University.

"Vi er nu betydeligt tættere på at løse mysteriet om, hvor og hvordan disse ekstraordinære partikler skabes, et spørgsmål af stor interesse for astrofysikere, siger Karl-Heinz Kampert, en professor ved universitetet i Wuppertal i Tyskland og talsmand for Auger Collaboration, som involverer mere end 400 videnskabsmænd fra 18 lande.

Kosmiske stråler er kernerne af grundstoffer fra brint til jern. At studere dem giver videnskabsmænd en måde at studere stof uden for vores solsystem - og nu, uden for vores galakse. Kosmiske stråler hjælper os med at forstå sammensætningen af ​​galakser og de processer, der opstår for at accelerere kernerne til næsten lysets hastighed. Ved at studere kosmiske stråler, forskere kan komme til at forstå, hvilke mekanismer der skaber kernerne.

Astronom Carl Sagan sagde engang, "Ntrogenet i vores DNA, calcium i vores tænder, jernet i vores blod, kulstoffet i vores æbletærter blev lavet i det indre af kollapsende stjerner. Vi er lavet af stjerner."

For at sige det enkelt, forståelse af kosmiske stråler og hvor de stammer fra kan hjælpe os med at besvare grundlæggende spørgsmål om universets oprindelse, vores galakse og os selv.

Utrolig energisk og vidtgående

Det er ekstremt sjældent, at kosmiske stråler med energi større end to joule når Jorden; hastigheden for deres ankomst til toppen af ​​atmosfæren er kun omkring én per kvadratkilometer om året, svarende til, at én kosmisk stråle rammer et område på størrelse med en fodboldbane cirka én gang pr.

En joule er en måling af energi; en joule svarer til en 3, 600. af en watt-time. Når en enkelt kosmisk strålepartikel rammer jordens atmosfære, at energi afsættes inden for et par milliontedele af et sekund.

Sådanne sjældne partikler kan detekteres, fordi de skaber regnbyger af elektroner, fotoner og myoner gennem successive interaktioner med kernerne i atmosfæren. Disse byger breder sig ud, fejer gennem atmosfæren med lysets hastighed i en skive-lignende struktur, som en kæmpe middagstallerken, flere kilometer i diameter. De indeholder mere end 10 milliarder partikler.

Ved Pierre Auger-observatoriet, kosmiske stråler detekteres ved at måle Cherenkov-lyset - elektromagnetisk stråling udsendt af ladede partikler, der passerer gennem et medium, såsom vand, ved større end lysets fasehastighed i det pågældende medium. Holdet måler Cherenkov-lyset produceret i en detektor, som er en stor plastik struktur, der indeholder 12 tons vand. De opfanger et signal i nogle få detektorer inden for en række af 1, 600 detektorer.

Detektorerne er fordelt på 3, 000 kvadratkilometer nær byen Malargüe i det vestlige Argentina, et område, der i størrelse kan sammenlignes med Rhode Island. Ankomsttidspunkterne for partiklerne ved detektorerne, målt med GPS-modtagere, bruges til at bestemme den retning, hvorfra partiklerne kom inden for cirka en grad.

Ved at studere fordelingen af ​​ankomstruterne på mere end 30, 000 kosmiske partikler, Auger Collaboration har opdaget en anisotropi, hvilket er forskellen i antallet af ankomster af kosmiske stråler afhængigt af, i hvilken retning du kigger. Det betyder, at de kosmiske stråler ikke kommer ensartet fra alle retninger; der er en retning, hvorfra satsen er højere.

Anisotropien er signifikant ved 5,2 standardafvigelser (en chance på omkring to ud af ti millioner) i en retning, hvor fordelingen af ​​galakser er relativt høj. Selvom denne opdagelse klart indikerer en ekstragalaktisk oprindelse for partiklerne, de specifikke kilder til de kosmiske stråler er stadig ukendte.

Retningen peger på et bredt område af himlen snarere end til specifikke kilder, fordi selv sådanne energiske partikler afbøjes et par titusgrader i vores galakses magnetfelt.

Der er blevet observeret kosmiske stråler med endnu højere energi, dem der blev brugt i Pierre Auger Collaboration-studiet, nogle endda med den kinetiske energi fra en velslået tennisbold. Da afbøjningen af ​​sådanne partikler forventes at være mindre på grund af deres højere energi, ankomstvejledningen bør pege tættere på deres fødesteder. Sådanne kosmiske stråler er endnu sjældnere, og yderligere undersøgelser er i gang for at finde ud af, hvilke ekstragalaktiske objekter der er kilderne.

Viden om partiklernes natur vil hjælpe med denne identifikation, og det fortsatte arbejde med dette problem er målrettet i opgraderingen af ​​Auger Observatory, der skal afsluttes i 2018.

Det kræver en (global) landsby

At udføre denne kaliber af videnskab er ikke en enkelt persons forehavende. Mere end 400 videnskabsmænd har bidraget til forskningen. Hos Michigan Tech, David Nitz, professor i fysik, bidrager til elektronikken, der optager signalerne i vandtankene. Han har skrevet koden, der er programmeret ind i kredsløbene, som konverterer Cherenkov-lyset i vandtankdetektorerne til digitale signaler. Dette gør det muligt for hardwaren at træffe meget hurtige beslutninger om de signaler, der er registreret i tankene, og om de er værd at analysere yderligere.

"Jeg nyder virkelig denne form for videnskab. Men jeg er en hands-on fyr, " siger Nitz. "Jeg visualiserer, hvordan vi går fra koncept til faktisk at bygge et instrument, så vi kan adressere den videnskab. Det er det, jeg har gjort hele min videnskabelige karriere:at svare på, hvordan vi løser disse målinger."

En del af opgraderingen til Auger Observatory er at erstatte ældre kredsløbskort med nyere, der har større evne til at behandle signaler hurtigere og mere præcist, og inkorporer signalerne fra yderligere detektorer. Disse ekstra detektorer inkluderer en scintillatordetektor over hver overfladedetektor, og tilføjelse af et fjerde fotomultiplikatorrør til hver detektor.