宇宙線 (深宇宙から地球に降り注ぐ高エネルギー粒子) は謎のようなものです:それらは何でできているのでしょうか?彼らはどこから来たのか？そして、世界最高の粒子加速器で達成されたものをはるかに超える、そのような巨大なエネルギーをどのようにして得ているのでしょうか?さて、初期宇宙を研究するために元々設計された電波望遠鏡は、これらの疑問のいくつかに答えるのに役立つかもしれませんし、謎を深めるだけかもしれません.
宇宙線は通常、ヘリウム、炭素、鉄などの元素の陽子または原子核です。最もエネルギーの高いものは、世界で最も強力な原子粉砕機であるラージ ハドロン コライダーのエネルギーの 1000 万倍以上のエネルギーを持っています。物理学者は、どの天体物理学的プロセスが粒子をそのようなエネルギーに加速できるのか確信が持てません.可能性のある犯人には、超新星の残留物、大質量星が燃料を使い果たして死ぬときに発生する爆発が含まれます。活発な銀河核、中心に超大質量ブラック ホールがあり、驚異的な速度でエネルギーを放出する過熱銀河。
しかし、宇宙線の研究は難しい。宇宙を旅するとき、彼らは磁場によってあちこちに偏向され、どこから来たのかを理解するのが難しくなります.高エネルギーのものも非常にまれであり、地球の大気に到達すると、どれも遠くまで到達しません。高高度での空気との衝突で即座に破壊されます。最高エネルギーの宇宙線を研究するために、物理学者は地上にある膨大な数の粒子検出器を使用して、高高度の衝突によって作成された破片の「空気シャワー」を拾ったり、望遠鏡で破片の粒子が減速するときに発生する閃光を見つけたりします。大気中へ。
しかし今、宇宙線を検出する新しい方法があります。チームは、低周波アレイ (LOFAR) として知られる電波望遠鏡のコレクションを利用しました。LOFAR はオランダを中心にしていますが、他の北欧諸国にも前哨基地があります。 LOFAR には、他の電波望遠鏡のように操縦可能な大型のパラボラアンテナはありませんが、代わりに、何十もの「ステーション」で地面に張り出された何千もの単純なワイヤーアンテナで構成されています。アンテナは基本的に、宇宙から来るすべてのものを拾い上げ、超高速プロセッサ クラスターがデータをふるいにかけ、特定の現象または空の一部に焦点を合わせます。
LOFARの主な目的は、最初の星と銀河が形成され、それらの周りのすべての星間ガスがイオン化された初期宇宙の時代を研究することです.しかし、宇宙線チームは通常の天体観測に便乗してエア シャワーを探すことができます。宇宙線の衝突によるデブリ粒子が大気中をカスケードする際、それらの粒子同士の相互作用および地球の磁場が、LOFAR のアンテナで検出可能な無線信号を生成します。チームは 24 時間年中無休ですべてのデータを精査することはできません。データが多すぎます。そこで研究者たちは、空気シャワーが発生したことをシステムに警告できる粒子検出器を地上に設置しました。粒子検出器がアラームを作動させると、LOFAR の宇宙線システムは、システムのバッファーに保持されている過去 5 秒間のデータを取得し、エア シャワーからの信号がそのどこかにあることを認識します。
チームは以前に、これらの無線信号がどのように見えるかをモデル化しており、LOFAR で観測を開始すると、すぐに成功を収めました。 「すべての観測結果の半分が [モデルと] 完全に一致しました。完全に一致しました。これは、実験物理学ではまれな経験です」と、オランダのナイメーヘンにあるラドバウド大学の天体物理学者であるチーム メンバーの Heino Falcke 氏は述べています。この技術を使用して、研究者は、粒子のカスケードが最大サイズに達する前に、大気中のどこまで下がったかを測定することができました。その深さから、元の宇宙線がどのような種類の粒子であったか (陽子、ヘリウム原子核、またはそれよりも重い何か) を彼らに伝えることができました。
科学者が今日 Nature で報告しているように 、分析された 120 以上のイベントの約 80% が軽い宇宙線 (陽子またはヘリウム原子核) であることが判明しました。それは完全に予想外というわけではありません。 LOFAR チームは、10 ～ 10 電子ボルト (eV) の範囲のエネルギーを持つ粒子を調べました。 「未知の世界」とファルケは言いますが、これは他のテクニックでは到達するのが難しいものです。 「組成データは非常にまばらです。」この範囲は、私たちの銀河の源から予想される低エネルギーの宇宙線と、はるかに遠い銀河からの高エネルギーの宇宙線の中間を占めています。現在の理論では、最高エネルギーの宇宙線は、より重い原子核ではなく、主に陽子であることが示唆されています。しかし研究者は、10 eV 未満のエネルギーでは 80% という大きな割合は期待できないと言っています。
また、Falcke は、彼らが研究したエネルギー範囲全体の粒子の分布にヒントがあり、これらの光宇宙線の一部が私たちの銀河の源から来た可能性があると述べています。超新星残骸などの局所加速器が 10 eV を超える陽子のエネルギーを達成できるとは考えられていないため、これは驚くべきことです。ファルケ氏は、この解釈が「依然として憶測にとどまっていることを認めています。これは第一歩です」と述べています。しかし、それが持続した場合、宇宙線の謎が深まるだけです。なぜなら、私たちの銀河系内に粒子をこれらのスーパーチャージされた速度に押し上げることができる、まだ知られていないオブジェクトまたはメカニズムがあることを意味するからです.
しかし、そのような結論は、現在の天体物理学の説明に「挑戦的」であると、ダブリン高等研究所の天体物理学者、アンドリュー・テイラーは言う。彼は、それらが銀河系外ではなく、私たちの銀河の源から来ているという証拠はまだないと考えています. 「決定的な声明を出すのは時期尚早です」と彼は言いますが、「どちらも興味深いものになるでしょう」
テイラー氏は、この新しい技術は、粒子の種類を特定する能力があり、昼夜を問わずどんな天候でも動作できるという事実から、将来に大きな可能性を秘めていると考えています (空気シャワーを観察する光学技術は、晴れた月のない夜にのみ機能します)。 「無線はデータをはるかに高速に収集できます」と彼は言います。 「それは探求するまったく新しい一連の機会を提供します。」
