I en artikel som publicerades idag i tidningen Vetenskap , Pierre Auger Collaboration har definitivt besvarat frågan om kosmiska partiklar utanför Vintergatan. Artikeln, med titeln "Observation av en stor anisotropi i kosmikrays ankomstriktningar över 8 × 1018 eV", noterar att att studera fördelningen av de kosmiska strålens ankomstriktningar är det första steget för att avgöra var extragalaktiska partiklar kommer från.

De samarbetande forskarna kunde göra sina inspelningar med det största kosmiska strålningsobservatoriet som någonsin byggts, Pierre Auger -observatoriet i Argentina. I detta samarbete ingår David Nitz och Brian Fick, professorer i fysik vid Michigan Technological University.

"Vi är nu betydligt närmare att lösa mysteriet om var och hur dessa extraordinära partiklar skapas, en fråga av stort intresse för astrofysiker, "säger Karl-Heinz Kampert, en professor vid universitetet i Wuppertal i Tyskland och talesman för Auger Collaboration, som involverar mer än 400 forskare från 18 länder.

Kosmiska strålar är kärnorna i element från väte till järn. Att studera dem ger forskare ett sätt att studera materia utanför vårt solsystem - och nu, utanför vår galax. Kosmiska strålar hjälper oss att förstå galaxernas sammansättning och de processer som sker för att accelerera kärnorna till nästan ljusets hastighet. Genom att studera kosmiska strålar, forskare kan komma att förstå vilka mekanismer som skapar kärnorna.

Astronomen Carl Sagan sa en gång:"Kvävet i vårt DNA, kalcium i våra tänder, järnet i vårt blod, kolet i våra äppelpajer gjordes i interiören hos kollapsande stjärnor. Vi är gjorda av stjärnmaterial. "

För att uttrycka sig enkelt, förstå kosmiska strålar och var de kommer från kan hjälpa oss att svara på grundläggande frågor om universums ursprung, vår galax och oss själva.

Otroligt energisk och fjärrresande

Det är extremt sällsynt att kosmiska strålar med mer energi än två joule når jorden; deras ankomst till toppen av atmosfären är bara ungefär en per kvadratkilometer per år, motsvarande en kosmisk stråle som träffar ett område på en fotbollsplan ungefär en gång per sekel.

En joule är ett mått på energi; en joule motsvarar en 3, 600:e watt-timme. När en enda kosmisk strålepartikel träffar jordens atmosfär, att energi avsätts inom några miljondelar av en sekund.

Sådana sällsynta partiklar är detekterbara eftersom de skapar duschar av elektroner, fotoner och muoner genom successiva interaktioner med kärnorna i atmosfären. Dessa duschar sprider sig, sveper genom atmosfären med ljusets hastighet i en skivliknande struktur, som en jätte tallrik, flera kilometer i diameter. De innehåller mer än 10 miljarder partiklar.

Vid Pierre Auger -observatoriet, kosmiska strålar detekteras genom att mäta Cherenkov -ljuset - elektromagnetisk strålning som avges av laddade partiklar som passerar genom ett medium, som vatten, vid högre än ljusets fashastighet i det mediet. Teamet mäter Cherenkov -ljuset som produceras i en detektor, som är en stor plaststruktur som innehåller 12 ton vatten. De tar upp en signal i några detektorer inom en grupp av 1, 600 detektorer.

Detektorerna är spridda över 3, 000 kvadratkilometer nära staden Malargüe i västra Argentina, ett område som är jämförbart i storlek med Rhode Island. Tidpunkten för partiklarnas ankomst till detektorerna, mätt med GPS -mottagare, används för att bestämma riktningen från vilken partiklarna kom inom ungefär en grad.

Genom att studera fördelningen av ankomstriktningarna på mer än 30, 000 kosmiska partiklar, Auger Collaboration har upptäckt en anisotropi, vilket är skillnaden i frekvensen av kosmiska strålar som kommer beroende på i vilken riktning du tittar. Det betyder att de kosmiska strålarna inte kommer enhetligt från alla håll; det finns en riktning från vilken hastigheten är högre.

Anisotropin är signifikant vid 5,2 standardavvikelser (en chans på cirka två av tio miljoner) i en riktning där fördelningen av galaxer är relativt hög. Även om denna upptäckt tydligt indikerar ett extragalaktiskt ursprung för partiklarna, de specifika källorna till de kosmiska strålarna är fortfarande okända.

Riktningen pekar på ett brett område av himlen snarare än på specifika källor eftersom även sådana energiska partiklar avböjs med några tiotals grader i magnetfältet i vår galax.

Det har observerats kosmiska strålar med ännu högre energi de som användes i Pierre Auger Collaboration -studien, vissa även med den kinetiska energin hos en välslagen tennisboll. Eftersom avböjningar av sådana partiklar förväntas bli mindre på grund av deras högre energi, ankomstanvisningarna ska peka närmare deras födelseplatser. Sådana kosmiska strålar är ännu sällsyntare och ytterligare studier pågår för att fastställa vilka extragalaktiska föremål som är källorna.

Kunskap om partiklarnas natur kommer att underlätta denna identifiering, och det fortsatta arbetet med detta problem är inriktat på uppgraderingen av Auger Observatory som ska slutföras 2018.

Det tar en (global) by

Att bedriva denna vetenskapliga kaliber är inte en persons åtagande. Mer än 400 forskare har bidragit till forskningen. På Michigan Tech, David Nitz, professor i fysik, bidrar till elektroniken som registrerar signalerna i vattentankarna. Han har skrivit koden som är programmerad i kretsarna, som omvandlar Cherenkov -ljuset i vattentankdetektorerna till digitala signaler. Detta gör att hårdvaran kan fatta mycket snabba beslut om de signaler som spelas in i tankarna och om de är värda ytterligare analys.

"Jag gillar verkligen den här typen av vetenskap. Men jag är en praktisk kille, "Säger Nitz." Jag visualiserar hur vi går från idé till att faktiskt bygga ett instrument så att vi kan ta itu med den vetenskapen. Det är vad jag har gjort hela min vetenskapliga karriär:att svara på hur vi tar itu med dessa mätningar. "

En del av uppgraderingen till Auger Observatory är att ersätta äldre kretskort med nyare som har större förmåga att bearbeta signaler snabbare och mer exakt, och införliva signalerna från ytterligare detektorer. Dessa ytterligare detektorer inkluderar en scintillatordetektor ovanför varje ytdetektor, och tillsats av ett fjärde fotomultiplikatorrör till varje detektor.