Nieuw model verbindt de oorsprong van zeer energierijke neutrino's, ultrahoge-energetische kosmische straling, en hoogenergetische gammastralen met zwarte-gatjets ingebed in hun omgeving.

Een van de grootste mysteries in de astrodeeltjesfysica is de oorsprong van ultrahoge-energetische kosmische straling, zeer energierijke neutrino's, en hoogenergetische gammastraling. Nutsvoorzieningen, een nieuw theoretisch model onthult dat ze allemaal de ruimte in kunnen worden geschoten nadat kosmische stralen zijn versneld door krachtige jets van superzware zwarte gaten.

Het model verklaart tegelijkertijd de natuurlijke oorsprong van alle drie de typen "kosmische boodschapper"-deeltjes, en is het eerste astrofysische model in zijn soort dat is gebaseerd op gedetailleerde numerieke berekeningen. Een wetenschappelijk artikel dat dit model beschrijft, geproduceerd door wetenschappers van Penn State en University of Maryland, wordt gepubliceerd als Advance Online Publication op de website van het tijdschrift Natuurfysica op 22 januari 2018.

"Ons model toont een manier om te begrijpen waarom deze drie soorten kosmische boodschapperdeeltjes een verrassend vergelijkbare hoeveelheid stroomtoevoer naar het universum hebben, ondanks het feit dat ze worden waargenomen door ruimte- en gronddetectoren van meer dan tien ordes van grootte in individuele deeltjesenergie, " zei Kohta Murase, assistent-professor natuurkunde en astronomie en astrofysica aan Penn State. "Het feit dat de gemeten intensiteiten van zeer energierijke neutrino's, ultrahoge-energetische kosmische straling, en hoogenergetische gammastralen zijn ongeveer vergelijkbaar, waardoor we ons afvroegen of deze extreem energetische deeltjes fysieke verbindingen hebben. Het nieuwe model suggereert dat zeer hoogenergetische neutrino's en hoogenergetische gammastraling van nature worden geproduceerd via deeltjesbotsingen als dochterdeeltjes van kosmische straling, en kunnen dus het vergelijkbare energiebudget van hun ouderdeeltjes erven. Het toont aan dat de gelijkaardige energie van de drie kosmische boodschappers niet louter toeval kan zijn."

Kosmische stralen met ultrahoge energie zijn de meest energetische deeltjes in het universum - elk van hen draagt ​​een energie die te hoog is om zelfs door de Large Hadron Collider te worden geproduceerd, de krachtigste deeltjesversneller ter wereld. Neutrino's zijn mysterieuze en spookachtige deeltjes die nauwelijks interactie hebben met materie. Zeer hoogenergetische neutrino's, met energie van meer dan een miljoen mega-elektronvolt, zijn gedetecteerd in het IceCube-neutrino-observatorium op Antarctica. Gammastralen hebben de hoogste bekende elektromagnetische energie - die met energieën die meer dan een miljard keer hoger zijn dan een foton van zichtbaar licht, zijn waargenomen door de Fermi Gamma-ray Space Telescope en andere observatoria op de grond. "Het combineren van alle informatie over deze drie soorten kosmische boodschappers is complementair en relevant, en een dergelijke multi-messenger-aanpak is de afgelopen jaren buitengewoon krachtig geworden, ' zei Muras.

Murase en de eerste auteur van dit nieuwe artikel, Ke Fang, een postdoctoraal medewerker aan de Universiteit van Maryland, poging om de nieuwste multi-messenger-gegevens van zeer hoogenergetische neutrino's te verklaren, ultrahoge-energetische kosmische straling, en hoogenergetische gammastraling, gebaseerd op een enkele maar realistische astrofysische opstelling. Ze ontdekten dat de multi-messenger-gegevens goed kunnen worden verklaard door numerieke simulaties te gebruiken om het lot van deze geladen deeltjes te analyseren.

"In ons voorbeeld kosmische stralen versneld door krachtige jets van actieve galactische kernen ontsnappen door de radiolobben die vaak aan het einde van de jets worden gevonden, " zei Fang. "Vervolgens berekenen we de voortplanting en interactie van kosmische straling binnen clusters en groepen van sterrenstelsels in de aanwezigheid van hun magnetische veld in de omgeving. Verder simuleren we de voortplanting en interactie van kosmische straling in de intergalactische magnetische velden tussen de bron en de aarde. Ten slotte integreren we de bijdragen van alle bronnen in het universum."

De belangrijkste verdachten in het een halve eeuw oude mysterie van de oorsprong van de kosmische deeltjes met de hoogste energie in het universum bevonden zich in sterrenstelsels die 'actieve galactische kernen' worden genoemd, " die een superuitstralend kerngebied rond het centrale superzware zwarte gat hebben. Sommige actieve galactische kernen worden vergezeld door krachtige relativistische jets. Kosmische deeltjes met hoge energie die door de jets of hun omgeving worden gegenereerd, worden bijna net zo snel als de snelheid van het licht.

"Ons werk toont aan dat de ultrahoge energetische kosmische stralen die ontsnappen uit actieve galactische kernen en hun omgevingen, zoals clusters en groepen van sterrenstelsels, het ultrahoge energetische kosmische stralingsspectrum en de samenstelling kunnen verklaren. Het kan ook enkele van de onverklaarde fenomenen verklaren die ontdekt zijn door experimenten op de grond, ' zei Fang. 'Tegelijkertijd, het zeer hoogenergetische neutrinospectrum boven honderd miljoen mega-elektronvolt kan worden verklaard door deeltjesbotsingen tussen kosmische straling en het gas in clusters en groepen van sterrenstelsels. Ook, de bijbehorende gammastraling die afkomstig is van de melkwegclusters en de intergalactische ruimte komt overeen met het onverklaarde deel van de diffuse hoogenergetische gammastralingsachtergrond die niet geassocieerd is met een bepaald type actieve galactische kern."

"Dit model maakt de weg vrij voor verdere pogingen om een ​​groots verenigd model te creëren van hoe alle drie deze kosmische boodschappers fysiek met elkaar zijn verbonden door dezelfde klasse van astrofysische bronnen en de gemeenschappelijke mechanismen van hoogenergetische neutrino en gammastraling productie, "Zei Murase. "Echter, er zijn ook andere mogelijkheden, en verschillende nieuwe mysteries moeten worden uitgelegd, inclusief de neutrino-gegevens in het tien miljoen mega-elektronvolt-bereik dat is geregistreerd door het IceCube-neutrino-observatorium op Antarctica. Daarom, verder onderzoek op basis van multi-messenger-benaderingen - waarbij theorie wordt gecombineerd met alle drie de messenger-gegevens - is cruciaal om ons model te testen."

Het nieuwe model zal naar verwachting studies van clusters en groepen van sterrenstelsels motiveren, evenals de ontwikkeling van andere uniforme modellen van hoogenergetische kosmische deeltjes. Verwacht wordt dat het rigoureus zal worden getest wanneer waarnemingen worden gedaan met neutrino-detectoren van de volgende generatie, zoals IceCube-Gen2 en KM3Net, en de volgende generatie gammastralingstelescoop, Cherenkov Telescoop-array.

"Het gouden tijdperk van multi-messenger-deeltjesastrofysica begon zeer recent, "Zei Murase. "Nu, alle informatie die we kunnen leren van alle verschillende soorten kosmische boodschappers is belangrijk voor het onthullen van nieuwe kennis over de fysica van extreem-energetische kosmische deeltjes en een dieper begrip van ons universum."