Nyt for tre typer ekstrem-energi rumpartikler:Teori viser ensartet oprindelse

Ny model forbinder oprindelsen af ​​neutrinoer med meget høj energi, kosmiske stråler med ultrahøj energi, og højenergi gammastråler med sorte hulstråler indlejret i deres miljøer.

Et af de største mysterier inden for astropartikelfysik har været oprindelsen til kosmiske stråler med ultrahøj energi, neutrinoer med meget høj energi, og højenergi gammastråler. Nu, en ny teoretisk model afslører, at de alle kunne blive skudt ud i rummet, efter at kosmiske stråler er accelereret af kraftige stråler fra supermassive sorte huller.

Modellen forklarer den naturlige oprindelse af alle tre typer "kosmiske messenger" -partikler samtidigt, og er den første astrofysiske model af sin art baseret på detaljerede numeriske beregninger. Et videnskabeligt papir, der beskriver denne model, produceret af forskere fra Penn State og University of Maryland, vil blive offentliggjort som en forskudsbaseret online -publikation på tidsskriftets websted Naturfysik den 22. januar, 2018.

"Vores model viser en måde at forstå, hvorfor disse tre typer kosmiske messengerpartikler har en overraskende lignende mængde strømindgang i universet, på trods af at de observeres af rumbaserede og jordbaserede detektorer over ti størrelsesordener i individuel partikel energi, "sagde Kohta Murase, adjunkt i fysik og astronomi og astrofysik ved Penn State. "Det faktum, at de målte intensiteter af neutrinoer med meget høj energi, kosmiske stråler med ultrahøj energi, og højenergi gammastråler er nogenlunde sammenlignelige fristede os til at spekulere på, om disse ekstremt energiske partikler har nogle fysiske forbindelser. Den nye model antyder, at neutrinoer med meget høj energi og gammarenergier med høj energi produceres naturligt via partikelkollisioner som datterpartikler af kosmiske stråler, og dermed kan arve det sammenlignelige energibudget for deres forælderpartikler. Det demonstrerer, at den lignende energi fra de tre kosmiske budbringere måske ikke er et tilfældigt tilfælde. "

Ultrahøj energi kosmiske stråler er de mest energiske partikler i universet-hver af dem bærer en energi, der er for høj til at blive produceret selv af Large Hadron Collider, den mest kraftfulde partikelaccelerator i verden. Neutrinoer er mystiske og spøgelsesagtige partikler, der næsten aldrig interagerer med stof. Neutrinoer med meget høj energi, med energi mere end en million mega-elektronvolt, er blevet påvist i IceCube neutrino -observatoriet i Antarktis. Gammastråler har den højest kendte elektromagnetiske energi-dem med energier mere end en milliard gange højere end en foton af synligt lys er blevet observeret af Fermi Gamma-ray rumteleskop og andre jordbaserede observatorier. "At kombinere alle oplysninger om disse tre typer kosmiske budbringere er komplementær og relevant, og en sådan multi-messenger-tilgang er blevet ekstremt stærk i de seneste år, "Sagde Murase.

Murase og den første forfatter til dette nye papir, Ke Fang, en postdoktor ved University of Maryland, forsøg på at forklare de nyeste multi-messenger-data fra neutrinoer med meget høj energi, kosmiske stråler med ultrahøj energi, og højenergi gammastråler, baseret på et enkelt, men realistisk astrofysisk setup. De fandt ud af, at multi-messenger-dataene godt kan forklares ved hjælp af numeriske simuleringer til at analysere skæbnen for disse ladede partikler.

"I vores model, kosmiske stråler, der accelereres af kraftfulde stråler af aktive galaktiske kerner, flygter gennem radiolapper, der ofte findes for enden af ​​strålerne, "Sagde Fang." Derefter beregner vi kosmisk stråleudbredelse og interaktion inde i galaksehobe og grupper i nærvær af deres miljømæssige magnetfelt. Vi simulerer yderligere kosmisk stråleudbredelse og interaktion i de intergalaktiske magnetfelter mellem kilden og jorden. Endelig integrerer vi bidragene fra alle kilder i universet. "

De førende mistænkte i det halve århundredes gamle mysterium om oprindelsen til de kosmiske partikler med den højeste energi i universet var i galakser kaldet "aktive galaktiske kerner, "som har en superstrålende kerneområde omkring det centrale supermassive sorte hul. Nogle aktive galaktiske kerner ledsages af kraftfulde relativistiske stråler. Højenergikosmiske partikler, der genereres af jetflyene eller deres omgivelser, skydes ud i rummet næsten lige så hurtigt som lysets hastighed.

"Vores arbejde viser, at de kosmiske stråler med ultrahøj energi, der flygter fra aktive galaktiske kerner og deres omgivelser, f.eks. Galaksehobe og grupper, kan forklare ultrahøjenergi-kosmisk strålespektrum og sammensætning. Det kan også redegøre for nogle af de uforklarlige fænomener, der er opdaget af jordbaserede eksperimenter, "Sagde Fang." Samtidig, neutrino-spektret med meget høj energi over hundrede millioner mega-elektronvolt kan forklares ved partikelkollisioner mellem kosmiske stråler og gassen i galaksehobe og grupper. Også, den tilhørende gammastråleemission, der kommer fra galaksehobe og intergalaktisk rum, matcher den uforklarlige del af den diffuse højenergi gammastrålebaggrund, der ikke er forbundet med en bestemt type aktiv galaktisk kerne. "

"Denne model baner vej for yderligere forsøg på at etablere en storforenet model for, hvordan alle disse kosmiske budbringere er fysisk forbundet med hinanden af ​​samme klasse af astrofysiske kilder og de fælles mekanismer for højenergi neutrino og gammastråling produktion, "Sagde Murase." Dog, der er også andre muligheder, og flere nye mysterier skal forklares, herunder neutrino-data i det ti millioner mega-elektronvoltsområde, der er registreret af IceCube neutrino-observatoriet i Antarktis. Derfor, yderligere undersøgelser baseret på multi-messenger-tilgange-at kombinere teori med alle tre messenger-data-er afgørende for at teste vores model. "

Den nye model forventes at motivere undersøgelser af galaksehobe og grupper, samt udvikling af andre forenede modeller af kosmiske partikler med høj energi. Det forventes at blive testet grundigt, når observationer begynder at blive foretaget med næste generations neutrino-detektorer som IceCube-Gen2 og KM3Net, og næste generations gammastrålingsteleskop, Cherenkov Telescope Array.

"Den gyldne æra med multi-messengerpartikelastrofysik startede for nylig, "Sagde Murase." Nu, al information, vi kan lære af alle forskellige former for kosmiske budbringere, er vigtig for at afsløre ny viden om kosmiske partiklers ekstreme energi og en dybere forståelse af vores univers. "