70 Yıllık Sır Çözüldü: Kozmik Işınların Kaynağı Nihayet Açıklandı
Çinli araştırmacılar, kozmik ışın “diz”inin yüksek enerjili bileşeninin muhtemel kaynağının kara delikler olduğunu tespit etti.
Büyük Yüksek İrtifa Hava Duşu Gözlemevi (LHAASO) tarafından 16 Kasım’da yayınlanan önemli bulgular, kozmik ışın araştırmalarında uzun süredir devam eden bir bilmeceyi açıklamada önemli bir atılım sağladı. Bilim insanları, kozmik ışın enerji spektrumunun, yaygın olarak “diz” olarak adlandırılan, 3 PeV’nin üzerindeki parçacık sayılarında ani bir düşüş göstermesinin nedenini anlamak için onlarca yıl harcadılar.
Bu “diz”in ardındaki neden, yaklaşık 70 yıl önce ilk kez tanımlanmasından bu yana çözülemedi. Uzun yıllar boyunca araştırmacılar, bunun kozmik ışınlar üreten astrofizik kaynakların ulaşabileceği maksimum enerjilerle bağlantılı olabileceğini ve muhtemelen spektrumdaki bir kuvvet yasası örüntüsünden diğerine geçişi işaret ettiğini öne sürdüler.
Bugün, yeni kanıtlar daha net bir açıklamaya işaret ediyor. National Science Review ve Science Bulletin’de yayınlanan iki çalışma, kara delik sistemi birikimiyle çalışan mikro kuasarların Samanyolu içinde oldukça verimli parçacık hızlandırıcıları olarak görev yaptığını gösteriyor. Bu sistemler artık “diz” oluşumuna en olası katkıda bulunanlar gibi görünüyor ve bulgular aynı zamanda kara deliklerle ilişkili aşırı fiziksel aktiviteye de ışık tutuyor.
Çin Bilimler Akademisi (CAS) Yüksek Enerji Fiziği Enstitüsü, Nanjing Üniversitesi, CAS Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Roma La Sapienza Üniversitesi ve çeşitli ortak kurumlardan bilim insanları araştırma çalışmalarına katıldı.
Ultra Yüksek Enerjili Gama Işınlarının İlk Sistematik Tespiti
Kara delikler, evrendeki en gizemli nesneler arasındadır. İkili sistemlerdeki yoldaş yıldızlardan madde çektiklerinde, “mikro kuasarlar” olarak bilinen hızlı hareket eden jetler üretirler. LHAASO, yeni çalışmasında beş mikro kuasardan ultra yüksek enerjili gama ışınlarının ilk sistematik tespitini bildirdi: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 ve Cygnus X-1.
Özellikle, SS 433’ten gelen ultra yüksek enerjili radyasyonun dev bir atom bulutuyla örtüştüğü bulundu; bu da yüksek enerjili protonların kara delik tarafından hızlandırıldığını ve çevredeki maddeyle çarpıştığını kuvvetle muhtemel kılıyor. Bu sistemdeki proton enerjisi 1 PeV’u aşıyordu ve toplam güç çıkışı saniyede yaklaşık 1032 joule’du; bu da saniyede dört trilyon en güçlü hidrojen bombasının açığa çıkardığı enerjiye eşitti.
LHAASO deneyi. Kaynak: LHAASO İşbirliği.
V4641 Sgr’den gelen gama ışını enerjisinin 0,8 PeV’ye ulaştığı ve bu sayede bir başka “süper PeV parçacık hızlandırıcısı” olduğu, bu gama ışınlarını üreten ana parçacıkların ise 10 PeV’yi aşan enerjilere sahip olduğu bulundu.
Bu sonuçlar, mikro kuasarların Samanyolu’nda önemli PeV parçacık hızlandırıcıları olduğunu kanıtlayarak bilimde uzun süredir devam eden bir sorunu ele alıyor: Süpernova kalıntıları tarihsel olarak kozmik ışın kaynakları olarak kabul edilmiş olsa da, hem gözlemsel hem de teorik çalışmalar, kozmik ışınları “diz” ve ötesine kadar hızlandıramayacaklarını göstermiştir.
Proton Spektrumlarının Ölçülmesinde Bir Atılım
Bu olguyu tam olarak anlamak için, ilgili “dizleri” de dahil olmak üzere çeşitli kozmik ışın türlerinin enerji spektrumlarının hassas ölçümleri şarttır. İlk adım, en hafif çekirdeklerin -protonların- enerji spektrumunu ölçmektir. Ancak, “diz” bölgesindeki kozmik ışınlar seyrektir ve uydu dedektörleri sınırlı kabul görmüştür; bu da tespiti samanlıkta iğne aramaya benzetir. Kozmik ışın parçacıklarının yer tabanlı dolaylı ölçümlerinde, atmosferik girişimden kaçınmak imkansızdır. Bu durum, protonları diğer çekirdeklerden ayırmayı zorlaştırır. Uzun bir süre bu ölçümün imkansız olduğu düşünülmüştür.
Bu çalışmada, dünyanın önde gelen yer tabanlı kozmik ışın gözlem ekipmanlarını kullanan LHAASO, çok parametreli ölçüm teknikleri geliştirmiş ve yüksek saflıkta protonlardan oluşan geniş bir istatistiksel örneklem seçerek, enerji spektrumlarının uydu deneyleriyle karşılaştırılabilir bir hassasiyetle hassas bir şekilde ölçülmesini sağlamıştır. Bu ölçüm, tamamen beklenmedik bir enerji spektrumu yapısını ortaya çıkarmış ve güç yasası spektrumları arasında basit bir geçiş yerine yeni bir “yüksek enerji bileşeni”ni açıkça göstermiştir.
LHAASO’nun yeni bulguları, uzaydaki AMS-02 deneyi tarafından ölçülen düşük enerjili bileşen ve uzaydaki DArk Matter Particle Explorer (DAMPE) deneyi tarafından ölçülen orta enerjili bileşenle birlikte, Samanyolu’nda her biri kendine özgü hızlanma kapasitesine ve enerji aralığına sahip birden fazla hızlandırıcının varlığını ortaya koydu. “Diz”, yüksek enerjili bileşeni üreten kaynakların hızlanma sınırını temsil ediyor.
Birleşik Bir Bilimsel Tablo Ortaya Çıkıyor
Proton enerji spektrumunun karmaşık yapısı, PeV enerji aralığındaki kozmik ışın protonlarının öncelikle, süpernova kalıntılarından önemli ölçüde daha yüksek bir hızlanma sınırına sahip mikro kuasarlar gibi “yeni kaynaklardan” kaynaklandığını gösteriyor. Bu, “diz”i aşan yüksek enerjili kozmik ışınlar üretmelerini sağlıyor.
Bu iki keşif birbirini destekleyerek kapsamlı bir bilimsel tablo sunuyor. Bu, uzun süredir devam eden “diz” kökeni gizemini çözmede önemli bir ilerlemeyi işaret etmekle kalmıyor, aynı zamanda kara deliklerin kozmik ışınların kökenindeki rolünü anlamak için önemli gözlemsel kanıtlar da sunuyor.
LHAASO’nun hibrit dedektör dizisi tasarımı, ultra yüksek enerjili gama ışınları aracılığıyla kozmik ışın kaynaklarının tespit edilmesine olanak tanırken, güneş sistemi civarındaki kozmik ışın parçacıklarının hassas bir şekilde ölçülmesini de mümkün kılıyor. Bu yaklaşım, PeV enerjilerindeki kaynakların hızlanma kabiliyetleri ve kozmik ışınlara kattıkları spektral özellikler hakkında fikir veriyor. “Diz” yapısı ilk kez gözlemsel olarak belirli bir astrofiziksel kaynak türü olan kara delik jet sistemiyle ilişkilendirildi.
Çinli bilim insanları tarafından tasarlanan, inşa edilen ve işletilen LHAASO, hem gama ışını astronomik keşiflerindeki hem de kozmik ışınların hassas ölçümündeki hassasiyeti sayesinde yüksek enerjili kozmik ışın araştırmalarında öncü olmuştur. Küresel çapta etki yaratan bir dizi keşfe imza atarak, evrendeki aşırı fiziksel süreçler hakkındaki bilgimize katkıda bulunmuştur.
Kaynak: https://scitechdaily.com