Ultrahochenergetische kosmische Strahlung - Ultra-high-energy cosmic ray

In Astroteilchenphysik , eine ultra-hochenergetischer kosmische Strahlung ( UHECR ) ein Kosmischer - Strahl mit einer Energie von mehr als 1 EeV (10 18 Elektronenvolt , etwa 0,16 Joule ), die beide weit über die Ruhemasse und Energien typisch für andere kosmischen Strahlungsteilchen .

Eine kosmische Strahlung mit extremer Energie ( EECR ) ist ein UHECR mit einer Energie von mehr als5 × 10 19  eV (ca. 8  Joule ), die sogenannte Greisen-Zatsepin-Kuzmin-Grenze (GZK-Grenze). Diese Grenze sollte die maximale Energie von Protonen der kosmischen Strahlung sein, die große Entfernungen (etwa 160 Millionen Lichtjahre) zurückgelegt haben, da höherenergetische Protonen über diese Entfernung aufgrund der Streuung von Photonen im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) Energie verloren hätten . Daraus folgt, dass EECR keine Überlebenden aus dem frühen Universum sein können , sondern kosmologisch "jung" sind, die irgendwo im Lokalen Superhaufen durch einen unbekannten physikalischen Prozess emittiert werden. Ist ein EECR kein Proton, sondern ein Kern mit A- Nukleonen, dann gilt der GZK-Grenzwert für seine Nukleonen, die nur einen Bruchteil tragen1/EINder Gesamtenergie des Kerns. Für einen Eisenkern wäre der entsprechende Grenzwert2,8 × 10 21  eV . Allerdings führen kernphysikalische Prozesse zu ähnlichen Grenzwerten für Eisenkerne wie für Protonen. Andere häufig vorkommende Kerne sollten noch niedrigere Grenzen haben.

Diese Partikel sind extrem selten; Zwischen 2004 und 2007 wurden bei den ersten Durchläufen des Pierre-Auger-Observatoriums (PAO) 27 Ereignisse mit geschätzten Ankunftsenergien über oben festgestellt5,7 × 10 19  eV , also etwa alle vier Wochen ein solches Ereignis in dem vom Observatorium vermessenen 3000 km 2 -Gebiet.

Es gibt Hinweise darauf, dass diese kosmischen Strahlen mit der höchsten Energie eher Eisenkerne als die Protonen sind, aus denen die meisten kosmischen Strahlen bestehen.

Die postulierte (hypothetischen) Quellen sind bekannt als EECR Zevatrons in Analogie zu dem Namen, Lawrence Berkeley National Laboratory 's Bevatron und Fermilab ' s Tevatron , und daher in der Lage Partikel bis 1 ZeV (10 beschleunigt 21  eV, zetta-Elektronvolt). Im Jahr 2004 wurde die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass galaktische Jets als Zevatrons wirken könnten, aufgrund der diffusiven Beschleunigung von Teilchen, die durch Stoßwellen im Inneren der Jets verursacht wird. Modelle legten insbesondere nahe, dass Stoßwellen des nahegelegenen galaktischen Jets M87 einen Eisenkern auf ZeV-Bereiche beschleunigen könnten. Im Jahr 2007 beobachtete das Pierre-Auger-Observatorium eine Korrelation von EECR mit extragalaktischen supermassiven Schwarzen Löchern im Zentrum naher Galaxien, die als aktive galaktische Kerne (AGN) bezeichnet werden . Allerdings wurde die Stärke der Korrelation mit fortschreitenden Beobachtungen schwächer. Extrem hohe Energien könnten auch durch den zentrifugalen Beschleunigungsmechanismus in den Magnetosphären von AGN erklärt werden , obwohl neuere Ergebnisse zeigen, dass weniger als 40% dieser kosmischen Strahlung vom AGN zu stammen schienen, eine viel schwächere Korrelation als zuvor berichtet. Ein spekulativer Vorschlag von Grib und Pavlov (2007, 2008) sieht den Zerfall superschwerer Dunkler Materie  mittels des Penrose-Prozesses vor .

Beobachtungsgeschichte

Die erste Beobachtung eines Teilchens der kosmischen Strahlung mit einer Energie von mehr als 1,0 × 10 20  eV (16 J) wurde 1962 von Dr. John D. Linsley und Livio Scarsi beim Volcano Ranch Experiment in New Mexico hergestellt.

Seitdem wurden Teilchen der kosmischen Strahlung mit noch höheren Energien beobachtet. Unter ihnen war das Oh-My-God-Teilchen , das am Abend des 15. Oktober 1991 vom Fly's Eye-Experiment der University of Utah über dem Dugway Proving Ground in Utah beobachtet wurde. Seine Beobachtung war ein Schock für Astrophysiker , die seine Energie auf ungefähr schätzten3,2 × 10 20  eV (50 J) – mit anderen Worten, ein Atomkern mit einer kinetischen Energie, die der eines Baseballs (5 Unzen oder 142 Gramm) entspricht, der mit etwa 100 Stundenkilometern (60 mph) fährt.

Die Energie dieses Teilchens ist etwa 40 Millionen Mal höher als die der energiereichsten Protonen, die in einem irdischen Teilchenbeschleuniger erzeugt wurden . Allerdings würde nur ein kleiner Bruchteil dieser Energie für eine Wechselwirkung mit einem Proton oder Neutron auf der Erde zur Verfügung stehen, wobei der größte Teil der Energie in Form von kinetischer Energie der Wechselwirkungsprodukte verbleibt (siehe Collider#Explanation ). Die für eine solche Kollision zur Verfügung stehende effektive Energie ist die Quadratwurzel aus dem Doppelten des Produkts aus der Energie des Teilchens und der Massenenergie des Protons, was für dieses Teilchen7,5 × 10 14  eV , etwa das 50-fache der Kollisionsenergie des Large Hadron Collider .

Seit der ersten Beobachtung, von der University of Utah ‚s Fly Eye Detektor für kosmische Strahlen , mindestens fünfzehn ähnliche Ereignisse aufgezeichnet wurden, um das Phänomen zu bestätigen. Diese sehr hochenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung sind sehr selten; die Energie der meisten Teilchen der kosmischen Strahlung liegt zwischen 10 MeV und 10 GeV.

Ultrahochenergetische Observatorien für kosmische Strahlung

Pierre-Auger-Observatorium

Pierre Auger - Observatorium ist ein internationales kosmische Strahlung Observatorium entwickelte ultrahochenergetischen kosmische Strahlung Teilchen zu detektieren (mit Energien über 10 20  eV). Diese hochenergetischen Teilchen haben eine geschätzte Ankunftsrate von nur 1 pro Quadratkilometer pro Jahrhundert. Um eine große Anzahl dieser Ereignisse aufzuzeichnen, hat das Auger-Observatorium daher einen Erfassungsbereich von 3.000 km 2 (der Größe von Rhode Island ) in der Provinz Mendoza im Westen Argentiniens . Das Pierre-Auger-Observatorium erhält nicht nur Richtungsinformationen aus der Ansammlung von Wassertanks, die zur Beobachtung der Komponenten der kosmischen Strahlung verwendet werden, sondern verfügt auch über vier Teleskope, die auf den Nachthimmel gerichtet sind, um die Fluoreszenz der Stickstoffmoleküle zu beobachten , wenn die Schauerteilchen die Himmel, was weitere Richtungsinformationen über das ursprüngliche Teilchen der kosmischen Strahlung liefert.

Im September 2017 unterstützten Daten aus 12-jährigen Beobachtungen von PAO eine extragalaktische Quelle (außerhalb der Erdgalaxie) für den Ursprung extrem hochenergetischer kosmischer Strahlung.

Vorgeschlagene Erklärungen

Neutronensterne

Eine vermutete Quelle von UHECR-Partikeln ist ihre Entstehung von Neutronensternen . Bei jungen Neutronensternen mit Spinzeiten von <10 ms, die magneto (MHD) Kräften aus der quasi-neutraler Flüssigkeit von supraleitenden Protonen und Elektronen in einem Neutronen bestehenden suprafluiden Eisenkerne UHECR Geschwindigkeiten beschleunigen. Das von der Neutronensupraflüssigkeit in schnell rotierenden Sternen erzeugte Magnetfeld erzeugt ein Magnetfeld von 10 8 bis 10 11 Tesla, woraufhin der Neutronenstern als Magnetar klassifiziert wird . Dieses Magnetfeld ist das stärkste stabile Feld im beobachteten Universum und erzeugt den relativistischen MHD-Wind, von dem angenommen wird, dass er die von der Supernova verbleibenden Eisenkerne auf die erforderliche Energie beschleunigt.

Eine weitere hypothetische Quelle von UHECRs von Neutronensternen ist die Verbrennung von Neutronensternen zu seltsamen Sternen . Diese Hypothese beruht auf der Annahme, dass seltsame Materie der Grundzustand der Materie ist, für den keine experimentellen oder Beobachtungsdaten vorliegen. Aufgrund des immensen Gravitationsdrucks des Neutronensterns wird angenommen, dass kleine Materietaschen aus up , down und Strange Quarks im Gleichgewicht wie ein einzelnes Hadron wirken (im Gegensatz zu einer Anzahl von
Σ0
Baryonen
). Dies wird dann den gesamten Stern zu seltsamer Materie verbrennen, woraufhin der Neutronenstern zu einem seltsamen Stern wird und sein Magnetfeld zusammenbricht, was geschieht, weil die Protonen und Neutronen in der quasi-neutralen Flüssigkeit zu Strangelets geworden sind . Dieser Zusammenbruch des Magnetfelds setzt elektromagnetische Wellen mit großer Amplitude (LAEMWs) frei. Die LAEMWs beschleunigen leichte Ionenreste aus der Supernova auf UHECR-Energien.

„Ultra-Hochenergie Kosmischer - Strahl - Elektronen “ (definiert als Elektronen mit Energien von ≥10 14 eV ) könnte durch die erklärt werden Zentrifugalmechanismus der Beschleunigung in den Magnetosphären der Crab -ähnlichen Pulsare . Die Durchführbarkeit einer Elektronenbeschleunigung auf diese Energieskala in der Magnetosphäre des Krebspulsars wird durch die Beobachtung von ultrahochenergetischen Gammastrahlen im Jahr 2019 unterstützt, die aus dem Krebsnebel stammen , einem jungen Pulsar mit einer Spinperiode von 33 ms.

Aktive galaktische Kerne

Wechselwirkungen mit blauverschobener kosmischer Mikrowellen-Hintergrundstrahlung begrenzen die Entfernung, die diese Teilchen zurücklegen können, bevor sie Energie verlieren; dies ist als Greisen-Zatsepin-Kuzmin-Grenze oder GZK-Grenze bekannt.

Die Quelle dieser hochenergetischen Teilchen ist seit vielen Jahren ein Rätsel. Jüngste Ergebnisse des Pierre-Auger-Observatoriums zeigen, dass die Ankunftsrichtungen der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung mit extragalaktischen supermassiven Schwarzen Löchern im Zentrum nahe gelegener Galaxien, die als aktive galaktische Kerne (AGN) bezeichnet werden, korreliert zu sein scheinen . Da jedoch die verwendete Winkelkorrelationsskala ziemlich groß ist (3,1°), identifizieren diese Ergebnisse die Ursprünge solcher Teilchen der kosmischen Strahlung nicht eindeutig. Das AGN könnte lediglich eng mit den eigentlichen Quellen in Verbindung gebracht werden, beispielsweise in Galaxien oder anderen astrophysikalischen Objekten, die mit Materie auf großen Skalen innerhalb von 100 Megaparsec verklumpt sind .

Von einigen der supermassereichen Schwarzen Löcher in AGN ist bekannt, dass sie rotieren, wie in der Seyfert-Galaxie MCG 6-30-15 mit zeitlicher Variabilität in ihren inneren Akkretionsscheiben. Der Spin eines Schwarzen Lochs ist ein potenziell wirksames Mittel, um die UHECR-Produktion anzutreiben, vorausgesetzt, dass Ionen geeignet gestartet werden, um limitierende Faktoren tief im galaktischen Kern zu umgehen, insbesondere Krümmungsstrahlung und inelastische Streuung mit Strahlung von der inneren Scheibe. Schwach leuchtende, intermittierende Seyfert-Galaxien können die Anforderungen mit der Bildung eines Linearbeschleunigers in mehreren Lichtjahren Entfernung vom Kern erfüllen, jedoch innerhalb ihrer ausgedehnten Ionentori, deren UV-Strahlung für die Versorgung mit ionischen Verunreinigungen sorgt. Die entsprechenden elektrischen Felder sind klein, in der Größenordnung von 10 V/cm, wobei die beobachteten UHECRs auf die astronomische Größe der Quelle hinweisen. Verbesserte Statistiken des Pierre-Auger-Observatoriums werden dazu beitragen, die derzeit vorläufige Assoziation von UHECRs (aus dem Lokalen Universum) mit Seyferts und LINERs zu identifizieren .

Andere mögliche Quellen der Partikel

Andere mögliche Quellen des UHECR sind:

Zusammenhang mit dunkler Materie

Es wird vermutet, dass aktive galaktische Kerne in der Lage sind, Dunkle Materie in hochenergetische Protonen umzuwandeln. Yuri Pavlov und Andrey Grib vom Alexander-Friedmann-Labor für Theoretische Physik in Sankt Petersburg stellen die Hypothese auf, dass Teilchen der Dunklen Materie etwa 15-mal schwerer sind als Protonen und dass sie in Paare schwerer virtueller Teilchen zerfallen können, die mit gewöhnlicher Materie wechselwirken. In der Nähe eines aktiven Galaxienkerns kann eines dieser Teilchen in das Schwarze Loch fallen, während das andere entweicht, wie durch den Penrose-Prozess beschrieben . Einige dieser Partikel werden mit ankommenden Partikeln kollidieren; dies sind sehr hochenergetische Kollisionen, die laut Pavlov gewöhnliche sichtbare Protonen mit sehr hoher Energie bilden können. Pavlov behauptet dann, dass Beweise für solche Prozesse ultrahochenergetische Teilchen der kosmischen Strahlung sind.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links