Még sosem találtak ilyen nagy energiájú elektronokat a kozmikus sugárzásban, amelyek forrása ráadásul meglepően közeli lehet hozzánk.

Illusztráció a HESS obszervatórium egységeiről. A műszer feladata a nagy energiájú kozmikus elektronok, pozitronok és gammasugarak által kiváltott részecskék és másodlagos sugárzás észlelése. (MPIK / H.E.S.S. Collaboration)

Egy csillagászokból és fizikusokból álló kutatócsoport egy namíbiai teleszkóp segítségével extrém nagy energiájú elektronokat fedezett fel a kozmikus sugárzásban, azoknak a töltött részecskéknek (főként protonoknak és elektronoknak) az áramában, amelyek ismeretlen forrásokból indulnak felénk a Világegyetemben. Ezen elektronok némelyike háromszor annyi energiával bír, mint amit a világ legerősebb részecskegyorsítója képes előállítani: a bejelentett 40 teraelektronvoltos (TeV) érték rekordnak számít a kozmikus sugárzást illetően. Ezek a rendkívül nagy energiájú elektronok egész biztosan kozmikus szomszédságunkból származnak. (Összehasonlítás kedvéért: 40 TeV az durván az 1 m/s sebességgel mozgó, egyetlen kristálycukor-szemcse mozgási energiája.)

A kozmikus sugárzás kimutatásának egyik módja a Cserenkov-sugárzás ultrarövid és halvány felvillanásainak keresése, amelyek akkor jönnek létre, amikor a részecskék kölcsönhatásba lépnek a Föld légkörével. A namíbiai HESS távcsőrendszer egy 28 méteres és négy 12 méteres „fénygyűjtő” műszerből áll, amelyek képesek ezeknek a részecskéknek az érzékelésére. A Cserenkov-villanások fényességéből megállapítható a beérkező kozmikus részecskék energiája, de a protonok és az elektronok között csak a nagy adathalmazok statisztikai vizsgálatával lehet különbséget tenni.

A kutatócsoport a Physical Review Letters hasábjain közölt tanulmányban mutatja be a 2003 és 2015 között gyűjtött 2728 órányi adat statisztikai elemzését. A vizsgálatból kizárták az égbolt bizonyos területeit, így például a Tejútrendszer síkját, amely ismert gammasugár-forrásokat tartalmaz, mivel ezen források nagy energiájú fotonjai Cserenkov-sugárzást is produkálnak a légkörünkben. A kutatók bonyolult számítógépes szimulációkkal modellezték a légkörben zajló folyamatokat és a teleszkóp detektorainak reakcióját is.

A kutatócsoport tagja, Kathrin Egberts (Universität Potsdam) kifejtette: ahogy nő az energia, úgy csökken drasztikusan a kozmikus sugárzás részecskéinek száma, ezen belül az elektronoké még a protonokénál is gyorsabban. „20 TeV környékén már 100 ezerszer annyi protont találunk, mint elektront.” – mondta. Ahhoz, hogy a nagy energiájú elektronokat észleljék, a kutatóknak ki kellett szűrniük a sokkal nagyobb számú proton alkotta „hátteret”.

Végül 265574 olyan eseményt találtak, amelyet a legnagyobb valószínűséggel a kozmikus sugárzás elektronja idézett elő. Ezek energiája 0,3 és 40 TeV közé esett. (Az események jelenthetik pozitronok, vagyis az elektronok pozitív töltésű antirészecskéinek felbukkanását is, mivel a HESS a kettő között nem tud különbséget tenni.)

„Ez egy nagyon bonyolult elemzés.” – mondta a nagy energiájú fizikával foglalkozó Harm Schoorlemmer (Radboud University), aki nem vett részt a kutatásban. „Sok időbe telt, de az eredmények meggyőzőnek látszanak.”

Művészi illusztráció egy töltött részecskékből álló ködről, ami egy pulzár, vagyis egy forgó neutroncsillag körül kavarog. (Nahks TrEhnl)

A nagy energiájú elektronokkal kapcsolatban az az érdekes, hogy „helyi” forrásokból kell származniuk, vagyis olyanokból, amelyek legfeljebb néhány ezer fényévre vannak tőlünk. Ugyanis minél nagyobb egy elektron energiája, annál gyorsabban veszíti el azt a fotonokkal vagy mágneses terekkel történő kölcsönhatások során. Egberts elmondása szerint szupernóva-maradványok vagy pulzárszél-ködök képesek lehetnek TeV-os energiáig gyorsítani az elektronokat. Ezeknek a kozmikus sugaraknak az egyedi forrásait sajnos lehetetlen kimutatni, mivel a kozmikus mágneses terek megváltoztatják a töltött részecskék útját.

Némi információ azonban szerezhető, ha megnézzük az elektronspektrumot, vagyis megfigyeljük azt, ahogy a részecskék száma az energiával csökken. Körülbelül 1 TeV felett az elektronok mennyisége gyorsan csökkenni kezd, itt van egy viszonylag éles spektrális törés, amely a kutatók szerint kis számú közeli forrásra utal, de az is lehet, hogy csak egy forrás van. Ha sok lenne, azok elmosnának minden markáns spektrális jellemzőt.

A jövőbeni obszervatóriumok, mint a Észak-Chilében és a Kanári-szigeteken még építés alatt álló Cserenkov Távcsőhálózat (Cherenkov Telescope Array, CTA) segíthetnek felfedni a jelenség valódi okát. „A CTA sokkal jobb statisztikai adatokat fog szolgáltatni, ami könnyebbé teszi a proton- és gammasugárzás-háttér kiszűrését.” – mondja Schoorlemmer.

Az eredményeket közlő cikk az arXiv preprint portálon olvasható.

Forrás: Sky & Telescope