Ekstremt rask partikkel fra verdensrommet er et kosmisk mysterium

Henrik Bendix 

JOURNALIST, VIDENSKAB.DK

En partikkel som var mindre enn et atom, reiste millioner av lysår nesten like raskt som lyset før den traff atmosfæren over den amerikanske delstaten Utah 27. mai 2021.

Her utløste den en skur av nye partikler, og noen få av disse ble fanget opp av Telescope Array, et stort internasjonalt detektorsystem som er utviklet for å oppdage nettopp denne typen høyenergetisk kosmisk partikkelstråling.

Nå vekker denne partikkelen oppsikt fordi den var ekstremt energirik. Faktisk er den bare overgått av en partikkel som ble oppdaget i 1991, og som fysikerne kaller Oh my God-partikkelen.

Kilden er et mysterium

Forskerne vet ikke hvor partikkelen kom fra eller hva som kan ha gitt den så mye energi. Kosmisk stråling med ultrahøy energi er litt av et mysterium, forklarer førsteamanuensis Jørgen Beck Hansen fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet:

– Slike energirike partikler er ekstremt sjeldne, og derfor vet vi ikke så mye om dem. Opprinnelsen er et mysterium, sier han.

– Vi vet at det må en svært voldsom hendelse til for å akselerere partikler opp til så høye energier. Noe ekstremt, som involverer supersterke elektromagnetiske felt, har sendt denne partikkelen av gårde.

Astronomene kjenner ikke til noen fenomener i vår egen galakse som kan akselerere partikler til så høy energi, så den må ha kommet fra en annen galakse millioner av lysår unna.

Energi som en murstein

Fysikerne vet ikke nøyaktig hva som traff oss, men det er mest sannsynlig en subatomær ladet partikkel, en partikkel som er mindre enn et atom.

Kosmisk partikkelstråling består for det meste av protoner – kjernen i hydrogen, det vanligste grunnstoffet i universet – men også tyngre atomkjerner forekommer i strålingen.

Partikkelen hadde en energi på om lag 244 exaelektronvolt – eller 2,44 x 10²⁰ eV, som det også kan skrives – noe som tilsvarer 39 joule. Til sammenligning var den berømte Oh my God-partikkelen fra 1991 på 320 exaelektronvolt, tilsvarende 51 joule (navnet kommer av fysikernes første reaksjon på den uventede målingen).

Det høres kanskje ikke så mye ut, men det betyr at den subatomære partikkelen, som måles i milliondel milliarddel av en meter, hadde like mye bevegelsesenergi som en tennisball sendt av gårde av en god amatørspiller – eller, som det heter i en pressemelding fra University of Utah, som en murstein som faller på en tå.

Fysiker trodde ikke på dataene sine

Telescope Array består av 507 detektorstasjoner fordelt på et 700 kvadratkilometer stort ørkenområde i den amerikanske delstaten Utah.

Sporet etter den raske partikkelen ble oppdaget av den japanske fysikeren Toshihiro Fujii da han sjekket dataene fra detektorene.

Til å begynne med trodde han ikke helt på målingene, forteller han i en pressemelding fra Osaka Metropolitan University i Japan:

– Da jeg først oppdaget denne ultrahøyenergiske kosmiske strålen, tenkte jeg at det måtte være en feil, for så høy energi har ikke blitt sett på tre tiår.

Men det var ikke noen feil, og Fujii ga partikkelen kallenavnet «Amaterasu» etter en japansk solgudinne. En forskningsartikkel om oppdagelsen er publisert i tidsskriftet Science.

Partikkelakseleratorer ligger langt etter

244 exaelektronvolt er 35 millioner ganger den energien det er mulig å gi en subatomær partikkel her på jorden. Verdens største partikkelakselerator, den 27 kilometer lange Large Hadron Collider i Sveits, kan «bare» akselerere protoner opp til en energi på sju billioner elektronvolt.

Naturen må ha partikkelakseleratorer som er langt mer effektive enn de menneskeskapte.

Spørsmålet er hva som kan sende subatomære partikler av gårde med så mye energi. En teori er at det er stjerner som eksploderer som supernovaer.

Problemet er at ikke engang supernovaer kan sende ut partikler med så enorme energier. Det må i så fall dreie seg om en høyst uvanlig og svært stor supernova som eksploderte svært raskt.

Supernovaen AT2018cow er et eksempel på en slik ekstremt rask og lyssterk supernova.

Store svarte hull er en mulighet

Et annet forslag er at partikkelen kommer fra et supermassivt svart hull i sentrum av en fjern galakse. Når materie går i bane rundt et svart hull, blir en del av den skutt ut i verdensrommet av kraftige elektromagnetiske felt rundt det svarte hullet.

– Det kan være et ekstremt aktivt svart hull som er kilden. Eller det kan være to nøytronstjerner som kolliderer. Men det vet vi ikke, sier Jørgen Beck Hansen.

Det er selvfølgelig også en mulighet for at partikkelens høye energi skyldes et mer eksotisk fysisk fenomen som vi ikke kjenner til ennå.

– Det kan være defekter i romtidens struktur, kolliderende kosmiske strenger. Men nå slenger jeg bare ut ville ideer som folk finner på fordi vi ikke har noen konvensjonell forklaring, sier John Belz fra University of Utah uttrykker det. Han er en av forskerne bak den vitenskapelige artikkelen.

Detektoren oppgraderes

Det enorme detektorsystemet er designet for å gjøre det mulig å finne ut hvilken retning høyenergipartikkelen kom fra. Men når astronomene ser ut i den retningen, er det tomt. Det er ingen spor etter aktive sorte hull, supernovaer eller lignende.

Forskerne må konkludere med at de har funnet en ekstremt energirik partikkel, men at de ikke kan lokalisere kilden.

Nå oppgraderer forskerne detektoren for å gjøre den fire ganger mer følsom. Det vil gjøre det mulig å oppdage flere av de sjeldne høyenergipartiklene og gjøre det lettere å se hvilken retning de kommer fra.

Med flere observasjoner vil det forhåpentligvis bli mulig å finne ut hvilke voldsomme fenomener som forårsaker ultrahøyenergisk kosmisk stråling.

Referanse:

Telescope Array Collaboration mfl.: An extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array. Science, 2023. (Sammendrag) 

DOI:10.1126/science.abo5095

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.