Büyük Yüksek İrtifa Hava Yağmuru Gözlemevi (LHAASO) tarafından 16 Kasım’da açıklanan kilometre taşı sonuçları, kozmik ışın enerji spektrumu hakkında on yıllardır süren bir gizemi çözdü; bu, kozmik ışınlarda 3 PeV’nin üzerinde keskin bir düşüş olduğunu gösteriyor ve ona alışılmadık bir diz benzeri şekil veriyor.
Yaklaşık 70 yıl önce keşfedildiğinden bu yana “dizin” nedeni belirsizliğini koruyor. Bilim adamları bunun kozmik ışınların astrofiziksel kaynaklarının hızlanma sınırıyla bağlantılı olduğunu ve kozmik ışın enerji spektrumunun bir güç yasası dağılımından diğerine geçişini yansıttığını öne sürdüler.
Ancak şimdi, yakın zamanda yayınlanan iki çalışma Ulusal Bilim İncelemesi Ve Bilim Bültenisırasıyla kara delik sisteminin birikmesiyle hareket eden mikro kuasarların Samanyolu’ndaki güçlü parçacık hızlandırıcıları olduğunu ve “dizin” muhtemel kaynağı olduğunu gösterin. Çalışmalar aynı zamanda kara delik sistemlerinin aşırı fiziksel süreçlerine ilişkin anlayışımızı da geliştiriyor.
Araştırma, Çin Bilimler Akademisi (CAS) Yüksek Enerji Fiziği Enstitüsü, Nanjing Üniversitesi, CAS Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Roma La Sapienza Üniversitesi ve diğer kurumlardan araştırmacılar tarafından yürütüldü.
Kozmik hızlandırıcılar olarak tanımlanan mikro kuasarlar
Evrendeki en esrarengiz nesnelerden biri olan kara delikler, ikili sistemlerdeki yoldaş yıldızlardan malzeme toplayarak “mikro kuasarlar” oluştururken göreceli jetler üretir. Bu çalışmada, LHAASO ilk kez sistematik olarak beş mikro kuasardan ultra yüksek enerjili gama ışınlarını tespit etti: 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 bulutu ile örtüştüğü tespit edildi; bu da yüksek enerjili protonların kara delik tarafından hızlandırıldığını ve çevredeki maddeyle çarpıştığını kuvvetle akla getiriyor.
Bu sistemdeki proton enerjisi 1 PeV’yi aştı ve toplam güç çıkışı yaklaşık 1032 Saniyede joule, en güçlü hidrojen bombalarının dört trilyonunun saniyede açığa çıkardığı enerjiye eşdeğer. V4641 Sgr’den gelen gama ışını enerjisinin 0,8 PeV’ye ulaştığı bulundu, bu da onu başka bir “süper PeV parçacık hızlandırıcısı” haline getirirken, bu gama ışınlarını üreten ana parçacıkların enerjileri 10 PeV’i aşan enerjilere sahipti.
Bu sonuçlar, mikro kuasarların Samanyolu’ndaki önemli PeV parçacık hızlandırıcıları olduğunu kanıtlıyor ve bilimde uzun süredir devam eden bir konuyu ele alıyor: Süpernova kalıntıları tarihsel olarak kozmik ışın kaynakları olarak kabul edilirken, hem gözlemsel hem de teorik çalışmalar kozmik ışınları “diz” ve ötesi enerjilere kadar hızlandıramayacaklarını göstermiştir.
Kozmik ışın spektrumlarının ölçülmesindeki zorluklar
Bu olguyu tam olarak anlamak için, ilgili “dizler” de dahil olmak üzere çeşitli kozmik ışın türlerinin enerji spektrumlarının hassas ölçümleri gereklidir. İlk adım, en hafif çekirdeklerin (protonların) enerji spektrumunu ölçmektir. Bununla birlikte, “diz” bölgesindeki kozmik ışınlar seyrektir ve uydu dedektörlerinin kabulü sınırlıdır, bu da algılamayı samanlıkta iğne aramaya benzer hale getirir.
Kozmik ışın parçacıklarının yer tabanlı dolaylı ölçümlerinde atmosferik girişimden kaçınmak imkansızdır. Bu durum protonları diğer çekirdeklerden ayırmayı zorlaştırır. Uzun süre bu ölçümün imkansız olduğu düşünülüyordu.
Bu çalışmada, dünya lideri yer tabanlı kozmik ışın gözlem ekipmanından yararlanan LHAASO, çok parametreli ölçüm teknikleri geliştirdi ve yüksek saflıkta protonların büyük bir istatistiksel örneğini seçerek enerji spektrumlarının uydu deneyleriyle karşılaştırılabilir bir hassasiyetle hassas bir şekilde ölçülmesine olanak sağladı. Bu ölçüm, kuvvet kanunu spektrumları arasında basit bir geçiş yerine yeni bir “yüksek enerji bileşenini” açıkça sergileyen, tamamen beklenmedik bir enerji spektrumu yapısını ortaya çıkardı.
Çoklu hızlandırıcılar kozmik ışının kökenlerini şekillendiriyor
LHAASO’Uzaydaki AMS-02 deneyi ile ölçülen düşük enerji bileşeni ve uzaydaki DArk Madde Parçacık Gezgini (DAMPE) deneyi tarafından ölçülen orta enerji bileşeniyle birlikte, uzaydaki yeni bulgular, Samanyolu’nda her biri kendine özgü hızlanma kabiliyetine ve enerji aralığına sahip olan birden fazla hızlandırıcının varlığını ortaya çıkardı. “Diz”, yüksek enerjili bileşenin üretilmesinden sorumlu kaynakların hızlanma sınırını temsil eder.
Proton enerji spektrumunun karmaşık yapısı, PeV enerji aralığındaki kozmik ışın protonlarının öncelikle süpernova kalıntılarınınkinden önemli ölçüde daha yüksek bir hızlanma limitine sahip olan mikro kuasarlar gibi “yeni kaynaklardan” kaynaklandığını göstermektedir. Bu onların “dizi” aşan yüksek enerjili kozmik ışınlar üretmelerini sağlar.
Buluşlar kara delikleri kozmik ışınlara bağlıyor
Bu iki keşif birbirini destekleyerek kapsamlı bir bilimsel tablo ortaya koyuyor. Bu sadece “diz”in kökenine ilişkin uzun süredir devam eden gizemin çözümünde önemli bir ilerlemeye işaret etmekle kalmıyor, aynı zamanda kozmik ışınların kökeninde kara deliklerin rolünü anlamak için önemli gözlemsel kanıtlar da sunuyor.
LHAASO’Hibrit dedektör dizisi tasarımı, ultra yüksek enerjili gama ışınları aracılığıyla kozmik ışın kaynaklarının tespit edilmesine olanak tanırken, güneş sisteminin yakınındaki kozmik ışın parçacıklarının hassas ölçümüne de olanak tanıyor. Bu yaklaşım, PeV enerjilerindeki kaynakların hızlanma yetenekleri ve kozmik ışınlara katkıda bulundukları spektral özellikler hakkında fikir vermektedir. İlk defa, “diz” yapısı gözlemsel olarak belirli bir tür astrofiziksel kaynağa, kara delik jet sistemine bağlandı.
Çinli bilim insanları tarafından tasarlanan, inşa edilen ve işletilen LHAASO, hem gama ışını astronomik keşfi hem de kozmik ışın hassas ölçümündeki hassasiyeti nedeniyle yüksek enerjili kozmik ışın araştırmalarında liderliği ele geçirdi. Küresel etkiye sahip bir dizi keşif gerçekleştirerek evrendeki olağanüstü fiziksel süreçlere ilişkin bilgimize katkıda bulundu.
