Gli scoppi di raggi gamma da stelle lontane, come mostrato nell'illustrazione di questo artista, sono una possibile fonte delle ultra potenti "particelle OMG" che occasionalmente colpiscono i rivelatori degli scienziati sulla Terra.
(Immagine: © NASA / SkyWorks Digital)
Paul Sutter è un astrofisico presso la Ohio State University e il capo scienziato del centro scientifico COSI. Sutter è anche ospite di "Ask a Spaceman" e "Space Radio" e guida AstroTours in tutto il mondo. Sutter ha contribuito con questo articolo alle voci Expert di Space.com: Op-Ed & Insights.
Proprio ora, mentre leggi questo testo, il tuo DNA viene diviso da pallottole invisibili. I trafficanti di danni sono noti come raggi cosmici, anche se non sono assolutamente raggi - ma il nome è rimasto bloccato da un malinteso storico. Invece, sono particelle: elettroni e protoni, per lo più, ma a volte cose più pesanti come l'elio o persino i nuclei di ferro.
Queste particelle cosmiche sono un problema, perché a) sono veloci e quindi hanno molta energia cinetica da lanciare eb) sono cariche elettricamente. Ciò significa che possono ionizzare i nostri poveri nucleotidi di DNA, strappandoli e occasionalmente portando a incontrollabili errori di replicazione (alias, cancro). ['Superstar' Eta Carinae agisce come una gigantesca pistola a raggi cosmici, ma perché?]
Come se ciò non bastasse, ogni tanto, circa una volta per chilometro quadrato all'anno, una particella arriva urlando nella nostra atmosfera superiore a una velocità davvero mostruosa, urtando contro una sfortunata molecola di azoto o ossigeno e precipitando in una pioggia di particelle secondarie a bassa energia (ma ancora mortali, ovviamente).
C'è solo una risposta appropriata di fronte a una particella di tale potenziale assurdo: "OMG".
Fastballs
"OMG" era il soprannome dato al primo esempio di quelli che ora sono noti come raggi cosmici ad altissima energia, rilevati nel 1991 dal rivelatore di raggi cosmici Fly's Eye dell'Università dello Utah. Quel singolo protone si schiantò nella nostra atmosfera andando all'incirca al 99,9999999999999999999999951 percento della velocità della luce. E no, tutti quei nove non sono solo per effetti drammatici per rendere il numero impressionante - è stato davvero così veloce. Questa particella aveva la stessa quantità di energia cinetica di una palla da baseball lanciata decentemente ... compressa in un oggetto delle dimensioni di un protone.
Ciò significa che questa particella aveva oltre 10 milioni di volte più energia di quella che il nostro più potente collettore di particelle, l'LHC, può produrre. A causa della dilatazione del tempo relativistico, a quella velocità, la particella OMG potrebbe viaggiare verso la nostra stella vicina più vicina, Proxima Centauri, in 0,43 millisecondi del tempo della particella stessa. Potrebbe continuare nel nostro nucleo galattico quando avrai finito di leggere questa frase (dalla sua stessa prospettiva).
OMG, davvero.
Dalla rilevazione di quella particella, abbiamo continuato a guardare i cieli per questi eventi estremi utilizzando telescopi e rilevatori specializzati in tutto il mondo. Detto ciò, negli ultimi decenni abbiamo registrato circa un centinaio di particelle della classe OMG.
Quelle poche decine di esempi chiariscono e approfondiscono i misteri delle loro origini. Più dati sono sempre buoni, ma quale diamine nel nostro universo è abbastanza potente da dare a un protone una crepa abbastanza buona da poter quasi - quasi - sfidare la luce stessa per una razza?
Knuckleballs
Per accelerare una particella carica a velocità folli, sono necessari due ingredienti chiave: molta energia e un campo magnetico. Il campo magnetico svolge il compito di trasferire alla particella qualunque energia ci sia nel tuo evento (diciamo, l'energia cinetica esplosiva di un'esplosione di una supernova o l'attrazione gravitazionale turbinante mentre la materia cade verso un buco nero). La fisica dettagliata è, naturalmente, incredibilmente complicata e non molto ben compresa. I luoghi di nascita dei raggi cosmici sono spaventosamente complicati e situati in regioni estreme del nostro universo, quindi sarà difficile trovare un quadro fisico completo.
Ma possiamo ancora fare alcune ipotesi plausibili sulla provenienza di esempi estremi come il nostro amico, la particella OMG. La nostra prima ipotesi potrebbe essere una supernova, la morte titanica di stelle massicce. Campi magnetici? Dai un'occhiata. Molta energia? Dai un'occhiata. Ma non abbastanza energia per fare il trucco. La tua detonazione stellare di varietà da giardino non ha abbastanza materiale grezzo per sputare particelle alle velocità che stiamo considerando.
Qual è il prossimo? I nuclei galattici attivi sono contendenti forti. Questi nuclei sono creati mentre la materia turbina fino al suo destino attorno a un buco nero supermassiccio situato al centro di una galassia; quel materiale si comprime e si riscalda, formando un disco di accrescimento nei suoi ultimi momenti. Quell'inferno torcente genera intensi campi magnetici dalle azioni della dinamo, formando la potente miscela di ingredienti necessaria per aggiungere un po 'di potenza alle particelle espulse.
Tranne (e sapevi che ci sarebbe stato un "tranne"), i nuclei galattici attivi sono troppo lontani per produrre raggi cosmici che raggiungono la Terra. Alle ridicole velocità di un raggio cosmico ad altissima energia, navigare attraverso il cosmo è più come cercare di arare una tormenta. Questo perché a quelle velocità lo sfondo cosmico a microonde - il flusso di fotoni a bassa energia lasciato dall'universo primordiale - appare fortemente spostato verso le energie più elevate. Quindi, quella luce ad alta intensità colpisce e colpisce il raggio cosmico viaggiante, rallentandolo e infine bloccandolo.
Pertanto, non dovremmo aspettarci che i raggi cosmici più potenti viaggino oltre 100 milioni di anni luce circa - e la maggior parte dei nuclei galattici attivi sono molto, molto più lontani da noi.
Curveballs
Per un bel po ', il principale sospettato della generazione di OMG fu Centaurus A, un nucleo galattico attivo relativamente vicino che si trova tra 10 e 16 milioni di anni luce di distanza. Potente, magnetico e vicino: la combinazione perfetta. Ma mentre alcuni sondaggi hanno suggerito che i raggi cosmici potrebbero provenire dalla sua direzione generale, non c'è mai stata una correlazione abbastanza chiara da far passare la galassia dal sospetto al condannato. [Uno sguardo profondo alla strana galassia Centaurus A]
Parte del problema è che il campo magnetico della Via Lattea altera sottilmente la traiettoria dei raggi cosmici in arrivo, nascondendo le loro direzioni originali. Quindi, per ricostruire la fonte di un raggio cosmico, hai anche bisogno di modelli per la forza e le direzioni del campo magnetico della nostra galassia - qualcosa su cui non abbiamo esattamente il pieno controllo.
Se il generatore OMG non è Centaurus A da solo, allora forse sono le galassie di Seyfert, una certa sottoclasse galattica di nuclei galattici attivi generalmente più vicini, generalmente più deboli (ma ancora follemente luminosi e forti). Ma ancora una volta, con nemmeno un centinaio di campioni su cui attingere, è difficile effettuare una rigorosa determinazione statistica.
Forse sono esplosioni di raggi gamma, che si pensa emanino dalla peculiare fine cataclismica ad alcune delle stelle più estreme. Ma la nostra comprensione della fisica di quella situazione è (ci credi?) Un po 'imprecisa.
Forse è qualcosa di più esotico, come difetti topologici fin dai primi momenti del Big Bang o alcune interazioni funky all'interno della materia oscura. Forse stiamo sbagliando la fisica e i nostri calcoli del limite di distanza non sono accurati. Forse, forse, forse ...
Le vere origini di queste particelle "OMG" ad altissima energia sono difficili da definire e, nonostante quasi 30 anni di storia di rilevazione, non abbiamo molte risposte certe. Il che va bene - è bello avere almeno alcuni misteri nell'universo. Gli astrofisici potrebbero anche usare un po 'di sicurezza sul lavoro.
Scopri di più ascoltando l'episodio sul podcast "Ask A Spaceman", disponibile su iTunes e sul Web all'indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie a hchrissscottt per le domande che hanno portato a questo pezzo! Poni la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter. Seguici su @Spacedotcom, Facebook e Google+. Articolo originale su Space.com.
