Kredit gambar: NASA
Ahli astronomi percaya bahawa letupan sinar gamma, letupan paling kuat di Alam Semesta, mungkin menghasilkan sinar kosmik tenaga ultrahigh, zarah paling bertenaga di Alam Semesta. Bukti yang dikumpulkan oleh Observatorium Compton Gamma-Ray NASA yang di-orbit menunjukkan bahawa dalam satu kejadian pecah sinar gamma, zarah-zarah bertenaga tinggi ini menguasai kawasan yang memberikan hubungan antara mereka, tetapi ini hampir tidak cukup bukti untuk mengatakan bahawa mereka terkait secara konklusif .
Letupan paling kuat di alam semesta, letupan sinar gamma, boleh menghasilkan zarah paling bertenaga di alam semesta, yang dikenali sebagai sinar kosmik tenaga ultra tinggi (UHECR), menurut analisis baru pemerhatian dari Observatorium Compton Gamma-Ray NASA.
Para penyelidik melaporkan dalam edisi 14 Ogos mengenai corak baru yang dikenali sebagai cahaya dari ledakan misterius ini yang dapat dijelaskan oleh proton yang bergerak dalam jarak kecepatan rambut yang luas.
Proton ini, seperti pecahan peluru dari letupan, boleh menjadi UHECR. Sinar kosmik seperti itu jarang terjadi dan merupakan misteri abadi dalam astrofizik, yang seolah-olah menentang penjelasan fizikal, kerana mereka terlalu bertenaga untuk dihasilkan oleh mekanisme terkenal seperti letupan supernova.
"Sinar kosmik 'lupa' dari mana asalnya kerana, tidak seperti cahaya, mereka disebat di ruang angkasa oleh medan magnet," kata pengarang utama Maria Magdalena Gonzalez dari Makmal Nasional Los Alamos di New Mexico dan pelajar siswazah di University of Wisconsin. "Hasil ini adalah peluang menarik untuk melihat bukti bahawa mereka dihasilkan di sumber mereka."
Letupan sinar gamma - saintis misteri akhirnya mula terurai - dapat bersinar dengan cemerlang seperti sejuta trilion matahari, dan banyak mungkin berasal dari jenis bintang yang sangat kuat. Letupan itu biasa tetapi secara rawak dan sekejap, hanya berlangsung beberapa saat.
Sinar kosmik adalah zarah atom (contohnya, elektron, proton atau neutrino) bergerak hampir dengan kelajuan cahaya. Sinar kosmik tenaga rendah mengebom Bumi secara berterusan, didorong oleh cahaya matahari dan letupan bintang khas. UHECR, dengan setiap zarah atom yang membawa tenaga bola besbol yang dilemparkan di Liga Utama, seratus juta kali lebih bertenaga daripada zarah yang dihasilkan dalam pemecut zarah buatan manusia terbesar.
Para saintis mengatakan UHECR mesti dihasilkan relatif dekat dengan Bumi, kerana mana-mana zarah yang bergerak lebih jauh dari 100 juta tahun cahaya akan kehilangan sebahagian tenaganya pada saat ia sampai ke kita. Namun tidak ada sumber sinar kosmik tempatan yang kelihatan cukup kuat untuk menghasilkan UHECR.
Kertas yang dipimpin Gonzalez tidak memfokuskan secara khusus pada pengeluaran UHECR melainkan corak cahaya baru yang dilihat dalam ledakan sinar gamma. Menggali jauh ke dalam arkib Observatorium Compton (misi itu berakhir pada tahun 2000), kumpulan itu mendapati bahawa sinar gamma yang meletup dari tahun 1994, bernama GRB941017, tampak berbeda dari 2.700-beberapa letupan lain yang dirakam oleh kapal angkasa ini. Letupan ini terletak di arah buruj Sagitta, Arrow, kemungkinan sepuluh miliar tahun cahaya jauhnya.
Apa yang para saintis sebut sebagai sinar gamma adalah foton (zarah cahaya) yang merangkumi pelbagai jenis tenaga, sebenarnya, lebih dari satu juta kali lebih luas daripada tenaga yang mata kita catat sebagai warna di pelangi. Kumpulan Gonzalez melihat foton sinar gamma dengan tenaga yang lebih tinggi. Para saintis mendapati bahawa jenis foton ini mendominasi pecahnya: Rata-rata mereka sekurang-kurangnya tiga kali lebih kuat daripada komponen tenaga rendah namun, secara mengejutkan, ribuan kali lebih kuat setelah sekitar 100 saat.
Iaitu, sementara aliran foton bertenaga rendah yang memukul pengesan satelit mulai mereda, aliran foton bertenaga tinggi tetap stabil. Penemuan ini tidak konsisten dengan "model kejutan synchrotron" yang popular yang menggambarkan kebanyakan pecah. Jadi apa yang dapat menjelaskan pengayaan foton bertenaga tinggi ini?
"Salah satu penjelasannya adalah bahawa sinar kosmik tenaga ultrahigh bertanggungjawab, tetapi bagaimana mereka menghasilkan sinar gamma dengan corak tenaga yang kita lihat memerlukan banyak pengiraan," kata Dr. Brenda Dingus dari LANL, pengarang bersama di atas kertas. "Kami akan membuat beberapa ahli teori sibuk berusaha memikirkannya."
Suntikan elektron tenaga ultrahigh yang tertunda memberikan cara lain untuk menerangkan aliran sinar gamma tenaga tinggi yang tidak dijangka yang diperhatikan di GRB 941017. Tetapi penjelasan ini memerlukan semakan semula model pecah standard, kata pengarang bersama Dr. Charles Dermer, seorang ahli astrofizik teori di Makmal Penyelidikan Tentera Laut AS di Washington. "Dalam kedua-dua kes, hasil ini mengungkapkan proses baru yang terjadi pada ledakan sinar gamma," katanya.
Letupan sinar gamma belum dapat dikesan berasal dalam jarak 100 juta tahun cahaya dari Bumi, tetapi melalui ribuan tahun, jenis letupan ini mungkin berlaku di dalam negara. Sekiranya demikian, kata Dingus, mekanisme yang dilihat oleh kumpulannya di GRB 941017 boleh digandakan dekat rumah, cukup dekat untuk membekalkan UHECR yang kita lihat hari ini.
Letupan lain di arkib Observatorium Compton mungkin menunjukkan corak yang serupa, tetapi datanya tidak muktamad. Teleskop Angkasa Besar Kawasan sinar-Gamma (GLAST) NASA, yang dijadualkan dilancarkan pada tahun 2006, akan mempunyai alat pengesan yang cukup kuat untuk menyelesaikan foton sinar gamma bertenaga tinggi dan menyelesaikan misteri ini.
Penulis bersama dalam laporan Nature juga merangkumi Ph.D. pelajar siswazah Yuki Kaneko, Dr. Robert Preece, dan Dr Michael Briggs dari Universiti Alabama di Huntsville. Penyelidikan ini dibiayai oleh NASA dan Office of Naval Research.
UHECR diperhatikan ketika mereka menerobos atmosfer kita, seperti yang digambarkan dalam gambar. Tenaga dari perlanggaran menghasilkan pancuran udara berjuta-juta zarah subatom dan kilatan cahaya ultraviolet, yang dikesan oleh instrumen khas.
National Science Foundation dan kolaborator antarabangsa telah menaja instrumen di lapangan, seperti High Resolution Fly's Eye di Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) dan Auger Observatory di Argentina (http: / /www.auger.org/). Sebagai tambahan, NASA bekerjasama dengan Agensi Angkasa Eropah untuk menempatkan Balai Cerap Angkasa Ekstrim Universe (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) di Stesen Angkasa Antarabangsa. Misi OWL yang dicadangkan akan, dari orbit, melihat ke bawah ke arah pancuran udara, melihat wilayah seluas Texas.
Para saintis ini merakam kilatan dan membuat bancian dari peluru kapal subatom, bekerja ke belakang untuk mengira berapa banyak tenaga yang diperlukan oleh satu zarah untuk membuat lata atmosfera. Mereka mencapai angka mengejutkan 10 ^ 20 elektron volt (eV) atau lebih. (Sebagai perbandingan, tenaga dalam zarah cahaya kuning adalah 2 eV, dan elektron dalam tiub televisyen anda berada dalam julat tenaga seribu volt elektron.)
Zarah tenaga ultra tinggi ini mengalami kesan pelik yang diramalkan oleh teori relativiti khas Einstein. Sekiranya kita dapat melihat mereka datang dari sudut terpencil kosmos, katakanlah seratus juta tahun cahaya, kita harus bersabar - kita akan memerlukan seratus juta tahun untuk menyelesaikan perjalanan. Namun, jika kita dapat melakukan perjalanan dengan zarah-zarah, perjalanan akan berakhir dalam waktu kurang dari satu hari kerana pelebaran masa objek bergerak dengan cepat seperti yang diukur oleh seorang pemerhati.
Sinaran kosmik tenaga tertinggi bahkan tidak dapat menjangkau kita jika dihasilkan dari sumber yang jauh, kerana mereka bertabrakan dan kehilangan tenaga dengan foton gelombang mikro kosmik yang tersisa dari ledakan besar. Sumber sinar kosmik ini mesti dijumpai agak dekat dengan kita, pada jarak beberapa ratus juta tahun cahaya. Bintang yang meletup ketika letupan sinar gamma dijumpai dalam jarak ini, jadi usaha pengamatan intensif sedang dilakukan untuk mencari sisa-sisa pecah sinar gamma yang dibezakan oleh lingkaran cahaya yang dibuat oleh sinar kosmik.
Beberapa jenis benda langit mempunyai keadaan ekstrem yang diperlukan untuk meletupkan zarah dengan kelajuan UHECR. Sekiranya letupan sinar gamma menghasilkan UHECR, mereka mungkin melakukannya dengan mempercepat zarah-zarah dalam jet bahan yang dikeluarkan dari letupan hampir dengan kelajuan cahaya. Letupan sinar gamma memiliki kekuatan untuk mempercepat UHECR, tetapi ledakan sinar gamma yang diamati sejauh ini jauh, miliaran tahun cahaya. Ini tidak bermaksud kejadian tersebut tidak berlaku di kawasan berhampiran, dalam jarak pemotongan UHECR.
Pesaing terkemuka untuk jenis ledakan sinar gamma jangka panjang seperti GRB941017 adalah model supernova / collapsar. Supernova berlaku apabila bintang berkali-kali lebih besar daripada Matahari menghabiskan bahan bakarnya, menyebabkan intinya runtuh di bawah graviti sendiri sementara lapisan luarnya diletupkan dalam letupan termonuklear yang sangat besar. Collapsars adalah jenis supernova khas di mana intinya sangat besar sehingga runtuh ke dalam lubang hitam, objek yang begitu padat sehingga tidak ada, bahkan cahaya, yang dapat melepaskan graviti dalam cakrawala peristiwa lubang hitam. Walau bagaimanapun, pemerhatian menunjukkan bahawa lubang hitam adalah pemakan ceroboh, mengeluarkan bahan yang melintas, tetapi tidak melintasi, cakerawala peristiwa mereka.
Di collapsar, inti bintang membentuk cakera bahan di sekitar lubang hitam yang baru terbentuk, seperti air yang berpusing di sekitar longkang. Lubang hitam menghabiskan sebahagian besar cakera, tetapi beberapa benda diletupkan dalam jet dari kutub lubang hitam. Jet-jet itu merobek bintang yang runtuh hampir dengan kelajuan cahaya, dan kemudian menumbuk gas yang mengelilingi bintang yang ditakdirkan. Ketika jet menerobos medium antara bintang, mereka membuat gelombang kejutan dan melambatkan. Kejutan dalaman juga terbentuk di jet ketika pinggir depannya perlahan dan dihantam dari belakang oleh arus benda berkelajuan tinggi. Kejutan mempercepat zarah-zarah yang menghasilkan sinar gamma; mereka juga dapat mempercepat zarah ke kecepatan UHECR, menurut pasukan.
"Ini seperti memantul bola ping pong antara dayung dan meja," kata Dingus. “Ketika Anda menggerakkan dayung lebih dekat ke meja, bola melantun lebih cepat dan lebih cepat. Dalam ledakan sinar gamma, dayung dan meja adalah cangkang yang dikeluarkan di dalam jet. Medan magnet yang bergelora memaksa zarah-zarah untuk melakukan ricochet di antara cengkerang, mempercepatnya ke hampir kelajuan cahaya sebelum mereka bebas seperti UHECR. "
Pengesanan neutrino dari pecah sinar gamma akan mengatasi masalah percepatan sinar kosmik oleh pecah sinar gamma. Neutrinos adalah zarah sukar difahami yang dibuat apabila proton bertenaga tinggi bertembung dengan foton. Neutrinos tidak mempunyai cas elektrik, jadi tetap menunjuk ke arah sumbernya.
National Science Foundation sedang membina IceCube (http://icecube.wisc.edu/), sebuah alat pengesan kilometer padu yang terletak di dalam ais di bawah Kutub Selatan, untuk mencari pelepasan neutrino dari ledakan sinar gamma. Walau bagaimanapun, ciri-ciri pemecut zarah tenaga tertinggi alam tetap menjadi misteri yang berkekalan, walaupun pecutan oleh bintang-bintang yang meletup yang membuat pecah sinar gamma sangat disukai sejak Mario Vietri (Universita di Roma) dan Eli Waxman (Institut Weizmann) mencadangkannya pada tahun 1995.
Pasukan percaya bahawa walaupun penjelasan lain mungkin untuk pemerhatian ini, hasilnya konsisten dengan percepatan UHECR dalam ledakan sinar gamma. Mereka melihat sinar gamma bertenaga rendah dan tinggi dalam letupan GRB941017. Sinaran gamma tenaga rendah adalah yang diharapkan para saintis daripada elektron berkelajuan tinggi yang dipesongkan oleh medan magnet yang kuat, sementara sinar bertenaga tinggi adalah apa yang diharapkan sekiranya beberapa UHECR yang dihasilkan dalam pecahnya jatuh ke foton lain, mewujudkan pancuran zarah , beberapa di antaranya berkelip untuk menghasilkan sinar gamma bertenaga tinggi semasa mereka merosot.
Masa pelepasan sinar gamma juga penting. Sinaran gamma bertenaga rendah memudar dengan agak cepat, sementara sinar gamma bertenaga tinggi berlanjutan. Ini masuk akal jika dua kelas zarah berlainan - elektron dan proton UHECR - bertanggungjawab untuk sinar gamma yang berbeza. "Lebih mudah bagi elektron daripada proton untuk memancarkan tenaga mereka. Oleh itu, pelepasan sinar gamma bertenaga rendah dari elektron akan lebih pendek daripada sinar gamma bertenaga tinggi dari proton, ”kata Dingus.
Balai Cerap Compton Gamma Ray adalah yang kedua dari Observatorium Besar NASA dan sinar gamma setara dengan Teleskop Angkasa Hubble dan Balai Cerap sinar-X Chandra. Compton dilancarkan di Space Shuttle Atlantis pada bulan April 1991, dan pada 17 tan, adalah muatan astrofizik terbesar yang pernah diterbangkan pada masa itu. Pada akhir misi perintisnya, Compton disorot dan memasuki semula atmosfer Bumi pada 4 Jun 2000.
Sumber Asal: Siaran Berita NASA
