Denna bild illustrerar 'multi-messenger' -utsläpp från en gigantisk reservoar av kosmiska strålar som accelereras av kraftfulla jetstrålar från ett supermassivt svart hål. De högenergiska kosmiska strålarna som flyr från det svarta hålets aktiva galaktiska kärna är fångade i den magnetiserade miljön som fungerar som en reservoar för kosmiska strålar. De högenergiska neutrinerna och gammastrålarna produceras i den magnetiserade miljön under deras inneslutning och i det intergalaktiska utrymmet under deras förökning. De kosmiska strålarna med ultrahög energi, neutrinoer med hög energi, och gammastrålningar når så småningom jorden, där de kan ge oss en enhetlig bild av alla tre kumulativa flödena av de kosmiska partiklarna. Upphovsman:Kanoko Horio
Ny modell förbinder ursprunget till neutrinoer med mycket energi, kosmiska strålar med hög energi, och högenergigammastrålar med svart-hålstrålar inbäddade i deras miljöer.
Ett av de största mysterierna inom astropartikelfysik har varit ursprunget till kosmiska strålar med hög energi, neutrinoer med mycket energi, och hög energi gammastrålning. Nu, en ny teoretisk modell avslöjar att de alla skulle kunna skjutas ut i rymden efter att kosmiska strålar accelererats av kraftfulla strålar från supermassiva svarta hål.
Modellen förklarar det naturliga ursprunget för alla tre typerna av "kosmiska budbärar" -partiklar samtidigt, och är den första astrofysiska modellen i sitt slag baserad på detaljerade numeriska beräkningar. Ett vetenskapligt papper som beskriver denna modell, producerad av forskare från Penn State och University of Maryland, kommer att publiceras som en avancerad onlinepublikation på tidskriftens webbplats Naturfysik den 22 januari 2018.
"Vår modell visar ett sätt att förstå varför dessa tre typer av kosmiska budbärarpartiklar har en förvånansvärt lika stor mängd energi som matas in i universum, trots att de observeras av rymdbaserade och markbaserade detektorer över tio storleksordningar i individuell partikel energi, "sa Kohta Murase, biträdande professor i fysik och astronomi och astrofysik vid Penn State. "Det faktum att de uppmätta intensiteten hos neutrinoer med mycket energi, kosmiska strålar med hög energi, och högenergigammastrålar är ungefär jämförbara frestade oss att undra om dessa extremt energiska partiklar har några fysiska samband. Den nya modellen tyder på att mycket högenergin neutrinoer och högenergi gammastrålar produceras naturligt via partikelkollisioner som dotterpartiklar av kosmiska strålar, och därmed kan ärva den jämförbara energibudgeten för sina förälderpartiklar. Det visar att den liknande energin hos de tre kosmiska budbärarna kanske inte bara är en slump. "
Kosmiska strålar med hög energi är de mest energiska partiklarna i universum-var och en av dem bär en energi som är för hög för att kunna produceras även av Large Hadron Collider, den kraftfullaste partikelacceleratorn i världen. Neutrinos är mystiska och spöklika partiklar som nästan aldrig interagerar med materia. Mycket energirika neutriner, med energi mer än en miljon mega-elektronvolt, har upptäckts i IceCube neutrino -observatoriet i Antarktis. Gammastrålar har den högst kända elektromagnetiska energin-de med energier som är mer än en miljard gånger högre än en foton av synligt ljus har observerats av Fermi Gamma-ray-teleskopet och andra markbaserade observatorier. "Att kombinera all information om dessa tre typer av kosmiska budbärare är kompletterande och relevant, och en sådan multi-messenger-strategi har blivit extremt kraftfull under de senaste åren, Sa Murase.
Murase och den första författaren till denna nya uppsats, Ke Fang, en postdoktor vid University of Maryland, försöka förklara de senaste multi-messenger-data från neutrinoer med mycket hög energi, kosmiska strålar med hög energi, och hög energi gammastrålning, baserat på en enda men realistisk astrofysisk uppställning. De fann att multi-messenger-data kan förklaras väl med hjälp av numeriska simuleringar för att analysera öde för dessa laddade partiklar.
"I vår modell, kosmiska strålar accelererade av kraftfulla strålar av aktiva galaktiska kärnor flyr genom radioloberna som ofta finns i slutet av strålarna, "Sa Fang." Sedan beräknar vi den kosmiska strålningens utbredning och interaktion i galaxkluster och grupper i närvaro av deras miljömagnetiska fält. Vi simulerar vidare kosmisk stråleutbredning och interaktion i de intergalaktiska magnetfälten mellan källan och jorden. Slutligen integrerar vi bidragen från alla källor i universum. "
De ledande misstänkta i det halvt sekel gamla mysteriet om de kosmiska partiklarnas högsta energi i universums ursprung var i galaxer som kallades "aktiva galaktiska kärnor, "som har en superstrålande kärnregion runt det centrala supermassiva svarta hålet. Vissa aktiva galaktiska kärnor åtföljs av kraftfulla relativistiska jetstrålar. Högenergikosmiska partiklar som genereras av strålarna eller deras miljöer skjuts ut i rymden nästan lika snabbt som ljusets hastighet.
"Vårt arbete visar att de kosmiska strålarna med ultrahög energi som flyr från aktiva galaktiska kärnor och deras miljöer som galaxkluster och grupper kan förklara det ultrahöga energi-kosmiska strålspektrumet och sammansättningen. Det kan också redogöra för några av de oförklarliga fenomen som upptäcks av markbaserade experiment, "Sa Fang." Samtidigt, neutrinospektrumet med mycket hög energi över hundra miljoner mega-elektronvolt kan förklaras av partikelkollisioner mellan kosmiska strålar och gasen i galaxkluster och grupper. Också, den associerade gammastrålning som kommer från galaxhopen och intergalaktiska rymden matchar den oförklarliga delen av den diffusa högenergigammastrålningsbakgrunden som inte är associerad med en viss typ av aktiv galaktisk kärna. "
"Den här modellen banar väg för ytterligare försök att upprätta en storförenad modell för hur alla dessa kosmiska budbärare fysiskt är kopplade till varandra av samma klass av astrofysiska källor och de gemensamma mekanismerna för hög energi-neutrino och gammastrålning produktion, "Sa Murase." Men det finns också andra möjligheter, och flera nya mysterier måste förklaras, inklusive neutrinodata i det tio miljoner megalektronvoltsintervall som registrerats av IceCube neutrino-observatoriet i Antarktis. Därför, ytterligare undersökningar baserade på multi-messenger-metoder-att kombinera teori med alla tre budbärardata-är avgörande för att testa vår modell. "
Den nya modellen förväntas motivera studier av galaxkluster och grupper, liksom utvecklingen av andra enhetliga modeller av kosmiska partiklar med hög energi. Det förväntas testas noggrant när observationer börjar göras med nästa generations neutrino-detektorer som IceCube-Gen2 och KM3Net, och nästa generations gammastrålteleskop, Cherenkov Telescope Array.
"Den gyllene eran för astrofysik med flera budbärarpartiklar började mycket nyligen, "Sa Murase." Nu, all information vi kan lära oss av alla olika typer av kosmiska budbärare är viktig för att avslöja ny kunskap om kosmiska partiklar med extrem energi och en djupare förståelse om vårt universum. "
