מדענים חושבים שהם פתרו את תעלומת חלקיק האמאטרסו

קרניים קוסמיות בעלות אנרגיה גבוהה במיוחד הן חלקיקים מהחלל שפוגעים בכדור הארץ עם אנרגיות הרבה מעבר לכל מה שנוצר על ידי מאיצי חלקיקים שנבנו על ידי אדם. בין הדוגמאות יוצאות הדופן ביותר הוא "חלקיק Amaterasu", אשר זוהה על ידי מערך הטלסקופים ביוטה בשנת 2021 ונקרא על שם אלת השמש במיתולוגיה היפנית. האנרגיה המדווחת שלו מדרגת אותו בין אירועי הקרנה הקוסמית החזקים ביותר שנצפו אי פעם, וממקמת אותו באותה קטגוריה נדירה כמו החלקיק "אוי-אלוהים" שתועד ב-1991. עם זאת המדענים עדיין לא יודעים מאיפה הוא הגיע, או אפילו מה בדיוק הוא היה.

קרניים קוסמיות כבדות במיוחד

מחקר חדש בראשות מדענים בפן סטייט ופורסם ב מכתבי סקירה פיזית מצביע על כך שחלק מהקרניים הקוסמיות בעלות האנרגיה הגבוהה ביותר עשויות להיות גרעיני אטום כבדים יותר מברזל. גרעיני אטום הם המרכזים הקומפקטיים של אטומים, המורכבים מפרוטונים ונייטרונים. הם מחזיקים כמעט את כל מסת האטום תוך שהם תופסים רק חלק זעיר מנפחו הכולל.

על פי חישובי הצוות, הגרעינים האולטרה-כבדים הללו עלולים לאבד אנרגיה לאט יותר מאשר פרוטונים או גרעינים קלים יותר בזמן חציית החלל הבין-גלקטי. זה אומר שהם יכולים לשרוד את המסע לכדור הארץ בעודם נושאים כמויות קיצוניות של אנרגיה. העבודה, שבוצעה עם משתפי פעולה במכון יוקאווה לפיזיקה תיאורטית ביפן, וירג'יניה טק ומוסדות אחרים, עשויה לסייע למדענים לזהות את סוגי העצמים הקוסמיים החזקים מספיק כדי לשגר חלקיקים כאלה.

"אפשר להאיץ קרניים קוסמיות בעלות אנרגיה גבוהה רק על ידי כמה מהמקורות החזקים ביותר ביקום", אמר קוהטה מוראסה, פרופסור לפיזיקה ולאסטרונומיה ואסטרופיזיקה במכללת פן סטייט אברלי למדע ומנהיג צוות המחקר. "כשאנחנו מזהים חלקיקי קרניים קוסמיות בודדות כמו חלקיק Amaterasu כאן על כדור הארץ, אנחנו יכולים לעתים קרובות להשתמש באנרגיות, כיווני ההגעה והסטות המגנטיות הצפויות שלהם כדי להסיק את המקורות הקוסמיים האפשריים שלהם."

תעלומת החלקיקים של אמאטרסו

היה קשה להסביר את חלקיק האמאטרסו במיוחד מכיוון שכיוון ההגעה המשוער שלו נע לריק קוסמי, אזור בחלל ללא מקור ברור המסוגל לייצר קרניים קוסמיות בעלות אנרגיה גבוהה במיוחד.

"מקורות ומנגנוני האצה של קרניים קוסמיות בעלות אנרגיה גבוהה היו בין התעלומות הגדולות בתחום כבר יותר מ-60 שנה, מאז הדוגמה הראשונה שדווחה", אמר מוראסה.

חלקיקים נדירים אלה יכולים לעלות על 100 וולט אקסה-אלקטרון, או 100 קווינטיליון וולט אלקטרונים. זה הופך אותם לשבעה סדרי גודל, או פי 10 מיליון, יותר אנרגטיים מחלקיקים המואצים בתוך מאיץ ההדרון הגדול, מאיץ החלקיקים הגדול והחזק בעולם. חלקיק Amaterasu דווח בכ-240 וולט exa-אלקטרון, מה שנותן חלקיק אחד זעיר של קרניים קוסמיות בערך את האנרגיה הקינטית של כדור טניס שנע במהירות. זה הופך אותה לאחת מהקרניים הקוסמיות האנרגטיות ביותר שזוהו אי פעם.

"מחשבים שהקרניים הקוסמיות בעלות האנרגיה הגבוהה ביותר מגיעות ממקורות אסטרופיזיים קיצוניים, כמו שני כוכבי נויטרונים שמתנגשים או כוכב מסיבי שמתמוטט", אמר מוראסה. "עבור אירועי קרניים קוסמיות רבים ביחד, התפלגות האנרגיה שלהם, דפוס כיוון ההגעה והרכב המסים הסטטיסטי מספקים רמזים חשובים מהיכן מגיעים החלקיקים הללו וכיצד הם מואצים."

הדמיית חלקיקים קיצוניים

כדי לחקור אילו סוגי חלקיקים עדיין יכולים להגיע לכדור הארץ באנרגיות יוצאות דופן כאלה, החוקרים הריצו הדמיות ממוחשבות מפורטות. הם דגלו כיצד חלקיקים בגדלים שונים ירוויחו או יאבדו אנרגיה בזמן נסיעה בחלל הבין-גלקטי.

"המחקר שלנו הראה שבאנרגיות דומות לזו של חלקיק Amaterasu, גרעינים אולטרה-כבדים מאבדים אנרגיה לאט יותר מאשר פרוטונים או גרעינים בעלי מסה בינונית, מה שהופך אותם למסוגלים יותר לשרוד מרחקים קוסמיים ולהגיע לכדור הארץ באנרגיות קיצוניות", אמר מוראסה. "אנחנו לא אומרים שכל הקרניים הקוסמיות בעלות אנרגיה אולטרה-גבוהה הן גרעינים אולטרה-כבדים. אבל אם חלק מאירועי האנרגיה הגבוהים ביותר הם גרעינים אולטרה-כבדים, זה ישפיע על האופן שבו נחפש את המקורות שלהם".

חישובי הצוות גם קבעו גבולות חדשים לגבי מידת התרומה של הגרעינים האולטרה-כבדים הללו לכלל האוכלוסייה של קרניים קוסמיות בעלות אנרגיה גבוהה במיוחד.

מקורות קוסמיים אלימים

"האתרים המבטיחים ביותר לייצור והאצת גרעינים אולטרה-כבדים כאלה הם מקרי מוות מסיביים של כוכבים הכוללים התמוטטות חומר נפץ לתוך חורים שחורים או כוכבי נויטרונים ממוגנטים חזק, כמו גם מיזוגים של כוכבי נויטרונים בינארים הידועים כפולטי גלי כבידה רבי עוצמה", אמר מוראסה. "התופעות הקוסמיות האלימות הללו יכולות גם להפעיל התפרצויות של קרני גמא שהם מהפיצוצים האנרגטיים ביותר ביקום. תרומה ממקורות אלה יכולה גם לעזור להסביר הבדל אפשרי שנראה בין שמי הצפון והדרום בספקטרום הקרניים הקוסמיות בעל האנרגיה הגבוהה ביותר. אם נתוני הגרעינים האולטרה-כבדים יצביעו על הרכב האנרגיות הגבוה ביותר בעתיד".

ייתכן שמצפי כוכבים עתידיים יוכלו לבדוק את הרעיונות הללו. Murase אמר כי מתקני הדור הבא, כולל AugerPrime המוצע בארגנטינה ומצפה הכוכבים הקוסמי הגלובלי המוצע, יכולים לחפש את החתימות החזויות. עבודה תיאורטית נוספת על פיצוצים קוסמיים הכוללים חורים שחורים וכוכבי נויטרונים ממוגנטים חזק עשויה גם לעזור לחשוף היכן נולדות קרניים קוסמיות בעלות אנרגיה גבוהה במיוחד.

יחד עם Murase, צוות המחקר כלל את B. Theodore Zhang, חוקר פוסט-דוקטורט במכון יוקאווה לפיזיקה תיאורטית של אוניברסיטת קיוטו בזמן המחקר וחוקר פוסט-דוקטורט לשעבר בפן סטייט; Mukul Bhattacharya, עמית פוסט-דוקטורט של אברלי בפן סטייט בזמן המחקר; וניק אקנגר ושונסאקו הוריוצ'י, שהיו ב-Virginia Tech בזמן המחקר.