https://frosthead.com

Polowanie na wysokoenergetyczne fotony odbywa się na szczycie góry w Meksyku

Powietrze nad głową żyje dzięki niewidzialnym prysznicom. Potężne cząstki z kosmosu nieustannie uderzają w atmosferę nad tobą, tworząc subatomową kaskadę, która strzela w dół z prędkością bliską prędkości światła. Ustalenie, skąd biorą się ulewy i co mówią nam o wszechświecie, jest zadaniem obserwatorium na dużej wysokości Wody Czerenkowa (HAWC) teleskopu składającego się z 300 gigantycznych zbiorników oczyszczonej wody umieszczonych w pobliżu szczytu wulkanu Sierra Negra w Meksyku.

Celem HAWC jest znalezienie zjawisk o najwyższej energii w kosmosie; w tym egzotyczne gwiazdy, supermasywne czarne dziury i anihilująca ciemna materia. Zjawiska takie jak te wytwarzają promienie gamma, fotony o energii przekraczającej bilion razy energię światła optycznego, które widzimy, oraz promienie kosmiczne, naładowane jądra atomowe o energii do siedmiu razy większej niż protony rozbite razem w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Początki obu pozostają owinięte wieloma tajemnicami, dlatego HAWC stale monitoruje dużą część nieba w nadziei, że kilka z nich się rozwiąże.

Kiedy ultra-wysokoenergetyczna cząsteczka dostanie się do atmosfery ziemskiej i zderzy się z cząsteczką powietrza, w wyniku reakcji powstają nowe cząsteczki subatomowe. Każda z nich zawiera olbrzymią energię, dlatego wciąż rozbijają, reagują i wytwarzają więcej cząstek w coraz większej lawinie, która kończy się w postaci koła o średnicy około 100 metrów, zanim dotrze do ziemi. Ten deszcz cząstek przepływa przez zbiorniki teleskopu poruszające się szybciej niż prędkość światła w wodzie (która wynosi około trzy czwarte jego prędkości w próżni), tworząc optyczny odpowiednik bomu dźwiękowego - rozbłysk światła ultrafioletowego znanego jako promieniowanie Czerenkowa. Charakteryzując dokładnie, w jaki sposób i kiedy cząstki napotykają szereg zbiorników oczyszczonej wody, badacze mogą ustalić, gdzie na niebie znajduje się źródło.

W HAWC co sekundę rejestruje się około 20 000 takich pryszniców, ale prawie wszystkie są promieniami kosmicznymi, a nie gamma. Ponieważ promienie kosmiczne są naładowane, ich tor lotu przez wszechświat jest zmieniany przez pola magnetyczne, co oznacza, że ​​nie można ustalić ich punktów początkowych. Promienie gamma są znacznie rzadsze - HAWC widzi ich około 1000 dziennie - ale wskazują prostą linię z powrotem do swoich źródeł. Poprzednie teleskopy gamma zwykle musiały być wycelowane w określone miejsca na niebie, często dopiero po tym, jak naukowcy zostali powiadomieni o pewnych zjawiskach związanych z wysoką energią. Ponieważ HAWC cały czas wpatruje się we wszechświat, ma większą szansę na wykrycie tych rzadkich błysków.

Ukończone w marcu 2015 r. Obserwatorium opublikowało niedawno swój pierwszy rok danych - mapę nieba ujawniającą około 40 super jasnych źródeł, z których wiele pochodzi z naszej galaktyki Drogi Mlecznej. „To nie są zwykłe gwiazdy” - powiedziała fizyk Brenda Dingus z Narodowego Laboratorium Los Alamos, rzecznik prasowy HAWC.

Większość to pozostałości po supernowych, będące następstwem potężnej eksplozji, która ma miejsce podczas śmierci gigantycznej gwiazdy. Gdy fale uderzeniowe z eksplozji rozszerzają się na zewnątrz, zderzają się z otaczającymi gazami i pyłem z dużą prędkością, generując promieniowanie gamma - proces, który może trwać tysiące lat. Zespół HAWC ma nadzieję odkryć pozostałości supernowych na różnych etapach ich ewolucji i połączyć swoje dane z danymi z innych teleskopów pracujących na różnych długościach fal, aby poznać szczegóły tego złożonego procesu. Ponieważ pozostałości po supernowych mają silne pola magnetyczne, wychwytują i przyspieszają naładowane cząstki, tworząc promienie kosmiczne. Uważa się, że większość kosmicznych promieni, które widzimy, pochodzi z takich miejsc, ale mogą one być również wytwarzane przez pulsary - szybko wirujące super-gęste gwiazdy neutronowe emitujące wiązkę promieniowania - i czarne dziury krążące wokół siebie. HAWC pomoże badaczom określić całkowitą moc wyjściową wszystkich tych różnych akceleratorów cząstek kosmicznych.

Dane HAWC zawierają również kilka jasnych obiektów znajdujących się poza galaktyką. Ponieważ są tak daleko, źródła te muszą świecić jak reflektory we wszechświecie. Niektóre z nich to aktywne jądra galaktyczne, młode galaktyki, których centralna supermasywna czarna dziura żeruje na ogromnym nadmiarze gazu i pyłu. Gdy materia wiruje wokół czarnej dziury, rozgrzewa się, uwalniając kolosalne strumienie promieniowania. HAWC widział, jak te struktury okresowo wybuchają, ale nie wiadomo dokładnie, dlaczego tak się dzieje.

Obserwatorium ma również nadzieję dostrzec rozbłyski gamma, najbardziej energetyczne zjawiska w znanym wszechświecie. Wydaje się, że gdy supermasywna gwiazda zapada się w czarną dziurę, eksplozje te uwalniają tyle samo energii w ciągu kilku sekund, co nasze Słońce w ciągu całego swojego życia. Ponieważ są tak przemijające, naukowcom trudno było je badać, ale oczekuje się, że HAWC - który nieustannie obserwuje niebo - będzie widział co najmniej kilka rocznie.

Są też naprawdę rewolucyjne rzeczy, które HAWC mógł potencjalnie zaobserwować. „Ciemna materia byłaby najfajniejszą rzeczą do znalezienia”, powiedział Dingus.

Podczas gdy naukowcy widzą efekty grawitacyjne tego dziwnego materiału we wszechświecie, ciemna materia nie wytwarza promieniowania elektromagnetycznego i dlatego nie pojawia się w zwykłych teleskopach. Ale niektórzy teoretycy spekulują, że cząstki ciemnej materii mogą zderzyć się ze sobą i unicestwić, proces, który powinien generować promienie gamma. W miejscach takich jak sferoidalne galaktyki karłowate, które zbudowane są prawie wyłącznie z ciemnej materii, anihilacja powinna mieć miejsce stale. Jak dotąd nikt nie widział znaczącego promieniowania gamma pochodzącego z tych słabych, małych galaktyk, ale ciągle odkrywane są nowe, co stwarza możliwość ostatecznego złamania jednej z największych tajemnic astronomii.

Im dłużej HAWC wpatruje się we wszechświat, tym głębsze i bardziej szczegółowe stają się jego obserwacje. Początkowe uruchomienie obserwatorium ma obecnie zakończyć się w 2020 r. „Ale jeśli zobaczymy coś fajnego, może będziemy działać dłużej”, powiedział Dingus.

Polowanie na wysokoenergetyczne fotony odbywa się na szczycie góry w Meksyku