Tarih: 23 Kasım 2023
Kaynak: Utah Üniversitesi
Özet:
1991 yılında yapılan bir deneyde şimdiye kadar gözlemlenen en yüksek enerjili kozmik ışın tespit edildi. Daha sonra Oh-My-God parçacığı olarak adlandırılan kozmik ışının enerjisi astrofizikçileri şok etti. Galaksimizdeki hiçbir şey onu üretecek güce sahip değildi ve parçacık, diğer galaksilerden Dünya’ya gelen kozmik ışınlar için teorik olarak mümkün olandan daha fazla enerjiye sahipti. Basitçe söylemek gerekirse, parçacık var olmamalıydı. 27 Mayıs 2021’de Telescope Array deneyi ikinci en yüksek aşırı enerjili kozmik ışını tespit etti. Yeni adlandırılan Amaterasu parçacığı, nadir, ultra yüksek enerjili kozmik ışınların kökeni, yayılımı ve parçacık fiziğinin gizemini derinleştiriyor.
Tüm Hikaye:
1991 yılında Utah Üniversitesi Fly’s Eye deneyi, şimdiye kadar gözlemlenen en yüksek enerjili kozmik ışını tespit etti. Daha sonra Oh-My-God parçacığı olarak adlandırılan kozmik ışının enerjisi astrofizikçileri şok etti. Galaksimizdeki hiçbir şey onu üretecek güce sahip değildi ve parçacık, diğer galaksilerden Dünya’ya gelen kozmik ışınlar için teorik olarak mümkün olandan daha fazla enerjiye sahipti. Basitçe söylemek gerekirse, parçacık var olmamalıydı.
Teleskop Dizisi o zamandan beri 30’dan fazla ultra yüksek enerjili kozmik ışın gözlemledi, ancak hiçbiri Oh-My-God seviyesindeki enerjiye yaklaşmadı. Henüz hiçbir gözlem bunların kaynağını ya da Dünya’ya nasıl gelebildiklerini ortaya koyamadı.
27 Mayıs 2021’de Telescope Array deneyi ikinci en yüksek aşırı enerjili kozmik ışını tespit etti. 2,4 x 1020eV’lik bu tek atomaltı parçacığın enerjisi, bel yüksekliğinden ayak parmağınızın üzerine bir tuğla düşürmeye eşdeğerdir. Utah Üniversitesi (U) ve Tokyo Üniversitesi tarafından yönetilen Teleskop Dizisi, eyaletin Batı Çölü’ndeki Delta, Utah’ın dışında 700 km2’lik (~270 mil2) bir alanı kaplayan kare bir ızgara şeklinde düzenlenmiş 507 yüzey dedektör istasyonundan oluşmaktadır. Olay, Teleskop Dizisi’nin kuzeybatı bölgesindeki 23 dedektörü tetikleyerek 48 km2 (18,5 mi2) boyunca sıçramıştır. Geliş yönünün Samanyolu galaksisini çevreleyen boş bir alan olan Yerel Boşluk’tan olduğu anlaşıldı.
“Parçacıklar o kadar yüksek enerjili ki galaktik ve galaksi dışı manyetik alanlardan etkilenmemeleri gerekiyor. Gökyüzünde nereden geldiklerini gösterebilmelisiniz,” diyor U’daki Teleskop Dizisi eş sözcüsü ve çalışmanın ortak yazarı John Matthews. “Ancak Oh-My-God parçacığı ve bu yeni parçacık söz konusu olduğunda, yörüngesini kaynağına kadar izliyorsunuz ve onu üretecek kadar yüksek enerjili hiçbir şey yok. Bu işin gizemi de bu – neler oluyor?”
Science dergisinde 24 Kasım 2023 tarihinde yayınlanan gözlemlerinde, uluslararası bir araştırmacı işbirliği ultra yüksek enerjili kozmik ışını tanımlıyor, özelliklerini değerlendiriyor ve bu nadir fenomenin bilim tarafından bilinmeyen parçacık fiziğini takip edebileceği sonucuna varıyor. Araştırmacılar bu parçacığa Japon mitolojisindeki güneş tanrıçasına atfen Amaterasu adını verdiler. Oh-My-God ve Amaterasu parçacıkları farklı gözlem teknikleri kullanılarak tespit edildi ve nadir de olsa bu ultra yüksek enerjili olayların gerçek olduğu doğrulandı.
“Bu olaylar gökyüzünde tamamen farklı yerlerden geliyor gibi görünüyor. Tek bir gizemli kaynak yok gibi,” diyor ABD’de profesör ve çalışmanın ortak yazarı John Belz. “Uzayzamanın yapısındaki kusurlar, çarpışan kozmik sicimler olabilir. Demek istediğim, sadece insanların bulduğu çılgın fikirleri ortaya atıyorum çünkü geleneksel bir açıklama yok.”
Doğal parçacık hızlandırıcılar
Kozmik ışınlar, maddeyi atom altı yapılarına kadar sıyıran ve neredeyse ışık hızıyla evrene fırlatan şiddetli gök olaylarının yankılarıdır. Esasen kozmik ışınlar, pozitif protonlar, negatif elektronlar veya tüm atom çekirdeklerinden oluşan ve uzayda seyahat ederek neredeyse sürekli olarak Dünya’ya yağan çok çeşitli enerjilere sahip yüklü parçacıklardır.
Kozmik ışınlar Dünya’nın üst atmosferine çarpar ve oksijen ve nitrojen gazının çekirdeğini parçalayarak birçok ikincil parçacık üretir. Bunlar atmosferde kısa bir mesafe kat eder ve süreci tekrarlayarak yüzeye dağılan milyarlarca ikincil parçacıktan oluşan bir yağmur oluşturur. Bu ikincil yağmurun ayak izi çok büyüktür ve dedektörlerin Teleskop Dizisi kadar geniş bir alanı kapsamasını gerektirir. Yüzey dedektörleri, araştırmacılara her kozmik ışın hakkında bilgi veren bir dizi enstrüman kullanmaktadır; sinyalin zamanlaması yörüngesini gösterir ve her dedektöre çarpan yüklü parçacıkların miktarı birincil parçacığın enerjisini ortaya çıkarır.
Parçacıkların bir yükü olduğundan, uçuş yolları kozmik mikrodalga arka planı boyunca elektromanyetik alanlara karşı zikzak çizerken bir langırt makinesindeki topu andırır. Enerji spektrumunun düşük ila orta ucunda yer alan çoğu kozmik ışının yörüngesini izlemek neredeyse imkansızdır. Yüksek enerjili kozmik ışınlar bile mikrodalga arka plan tarafından bozulur. Oh-My-God ve Amaterasu enerjisine sahip parçacıklar galaksiler arası uzayda nispeten bükülmeden patlarlar. Sadece en güçlü göksel olaylar bunları üretebilir.
“İnsanların enerjik olarak düşündüğü süpernova gibi şeyler bunun için yeterince enerjik değildir. Parçacığı hızlandırırken hapsetmek için çok büyük miktarda enerjiye, gerçekten yüksek manyetik alanlara ihtiyacınız var” diyor Matthews.
Ultra yüksek enerjili kozmik ışınlar 5 x 1019 eV’yi aşmalıdır. Bu, tek bir atom altı parçacığın, büyükler ligi atıcısının hızlı topuyla aynı kinetik enerjiyi taşıdığı ve insan yapımı herhangi bir parçacık hızlandırıcının elde edebileceğinden on milyonlarca kat daha fazla enerjiye sahip olduğu anlamına gelir. Astrofizikçiler, Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) sınırı olarak bilinen bu teorik sınırı, mikrodalga arka plan radyasyonunun etkileşimlerinin etkisi enerjilerini almadan önce bir protonun uzun mesafeler boyunca seyahat ederken tutabileceği maksimum enerji olarak hesapladılar. Aktif galaktik çekirdekler veya parçacık jetleri yayan yığılma disklerine sahip kara delikler gibi bilinen kaynak adayları, Dünya’dan 160 milyon ışık yılından daha uzakta olma eğilimindedir. Yeni parçacığın 2,4 x 1020 eV’si ve Oh-My-God parçacığının 3,2 x 1020 eV’si bu sınırı kolayca aşıyor.
Araştırmacılar ayrıca kozmik ışın bileşimini de analiz ederek kökenlerine dair ipuçları arıyor. Demir çekirdeği gibi daha ağır bir parçacık, hidrojen atomundan gelen protonlardan oluşan daha hafif bir parçacıktan daha ağırdır, daha fazla yüke sahiptir ve manyetik alanda bükülmeye daha yatkındır. Yeni parçacık muhtemelen bir proton. Parçacık fiziği, GZK sınırının ötesinde enerjiye sahip bir kozmik ışının, mikrodalga arka planının yolunu bozamayacak kadar güçlü olduğunu belirtir, ancak yörüngesinin izini sürmek boş uzaya doğru işaret eder.
Belz, “Belki de manyetik alanlar düşündüğümüzden daha güçlüdür, ancak bu, bu on ila yirminci elektron volt enerjilerinde önemli bir eğrilik üretecek kadar güçlü olmadıklarını gösteren diğer gözlemlerle uyuşmuyor” dedi. “Bu gerçek bir gizem.”
Ayak izini genişletmek
Teleskop Dizisi, ultra yüksek enerjili kozmik ışınları tespit etmek için benzersiz bir konuma sahiptir. Yaklaşık 1.200 m (4.000 ft) yükseklikte, ikincil parçacıkların maksimum gelişimine izin veren, ancak bozunmaya başlamadan önce tatlı nokta. Utah’ın Batı Çölü’ndeki konumu iki açıdan ideal atmosferik koşulları sağlıyor: kuru hava çok önemli çünkü nem, tespit için gerekli ultraviyole ışığı emecek; ve bölgenin karanlık gökyüzü çok önemli çünkü ışık kirliliği çok fazla gürültü yaratacak ve kozmik ışınları gizleyecek.
Astrofizikçiler bu gizemli olay karşısında hâlâ şaşkınlık içindeler. Teleskop Dizisi, olayı çözmeye yardımcı olacağını umdukları bir genişlemenin ortasında. Tamamlandığında, 500 yeni sintilatör dedektörü Teleskop Dizisi’ni genişletecek ve neredeyse Rhode Island büyüklüğünde bir alan olan 2.900 km2 (1.100 mi2 ) boyunca kozmik ışın kaynaklı parçacık yağmurlarını örnekleyecektir. Daha geniş alanın, neler olup bittiğine ışık tutacak daha fazla olayı yakalayacağı umuluyor.
* Bu yazı Telescope Array detects second highest-energy cosmic ray ever başlıklı yazıdan çevrilmiştir.
