Gammastrahlenausbrüche von fernen Sternen, wie in der Abbildung dieses Künstlers gezeigt, sind eine mögliche Quelle für die extrem starken "OMG-Partikel", die gelegentlich die Detektoren von Wissenschaftlern auf der Erde treffen.
(Bild: © NASA / SkyWorks Digital)
Paul Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und Chefwissenschaftler am COSI Science Center. Sutter ist auch Moderator von "Ask a Spaceman" und "Space Radio" und führt AstroTours auf der ganzen Welt. Sutter hat diesen Artikel zu Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.
Während Sie genau diesen Text lesen, wird Ihre DNA gerade von winzigen, unsichtbaren Kugeln zerschnitten. Die Schadensverursacher sind als kosmische Strahlen bekannt, obwohl sie absolut keine Strahlen sind - aber der Name ist auf ein historisches Missverständnis zurückzuführen. Stattdessen sind es Teilchen: meistens Elektronen und Protonen, aber gelegentlich schwerere Dinge wie Helium oder sogar Eisenkerne.
Diese kosmischen Teilchen sind problematisch, weil a) sie schnell sind und daher viel kinetische Energie zum Herumwerfen haben und b) sie elektrisch geladen sind. Dies bedeutet, dass sie unsere armen DNA-Nukleotide ionisieren, sie zerreißen und gelegentlich zu unkontrollierbaren Replikationsfehlern (auch bekannt als Krebs) führen können. ['Superstar' Eta Carinae verhält sich wie eine gigantische Kosmosstrahlkanone, aber warum?]
Als ob dies nicht schlimm genug wäre, kommt hin und wieder, ungefähr einmal pro Quadratkilometer pro Jahr, ein Partikel mit wirklich ungeheurer Geschwindigkeit schreiend in unsere obere Atmosphäre, klopft gegen ein unglückliches Stickstoff- oder Sauerstoffmolekül und stürzt in eine Dusche von Sekundärteilchen mit niedrigerer Energie (aber natürlich immer noch tödlich).
Es gibt nur eine angemessene Antwort, wenn man mit einem Partikel von solch absurdem Potenzial konfrontiert wird: "OMG".
Fastballs
"OMG" war der Spitzname für das erste Beispiel für sogenannte kosmische Strahlen mit ultrahoher Energie, die 1991 vom kosmischen Strahlendetektor Fly's Eye der Universität von Utah entdeckt wurden. Dieses einzelne Proton schlug in unsere Atmosphäre ein und erreichte ungefähr 99,99999999999999999999951 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Und nein, all diese Neunen sind nicht nur ein dramatischer Effekt, um die Zahl beeindruckend aussehen zu lassen - es war wirklich so schnell. Dieses Teilchen hatte die gleiche Menge an kinetischer Energie wie ein anständig geworfener Baseball… zusammengedrückt zu einem Objekt von der Größe eines Protons.
Das bedeutet, dass dieses Teilchen über 10 Millionen Mal mehr Energie hatte als unser stärkster Teilchenkollider, der LHC, produzieren kann. Aufgrund der relativistischen Zeitdilatation könnte das OMG-Teilchen bei dieser Geschwindigkeit in 0,43 Millisekunden der eigenen Zeit des Teilchens zu unserem nächsten Nachbarstern, Proxima Centauri, wandern. Es könnte bis zu Ihrem galaktischen Kern weitergehen, wenn Sie diesen Satz gelesen haben (aus seiner eigenen Perspektive).
OMG, in der Tat.
Seit der Erkennung dieses Partikels haben wir den Himmel nach diesen extremen Ereignissen mit speziellen Teleskopen und Detektoren auf der ganzen Welt beobachtet. Insgesamt haben wir in den letzten Jahrzehnten rund hundert Partikel der OMG-Klasse aufgenommen.
Diese wenigen Dutzend Beispiele erläutern und vertiefen die Geheimnisse ihrer Herkunft. Mehr Daten sind immer gut, aber was zum Teufel in unserem Universum ist mächtig genug, um einem Proton einen Riss zu geben, der gut genug ist, um das Licht selbst fast zu einer Rasse herauszufordern?
Knöchelbälle
Um ein geladenes Teilchen auf wahnsinnige Geschwindigkeiten zu beschleunigen, benötigen Sie zwei Hauptbestandteile: viel Energie und ein Magnetfeld. Das Magnetfeld überträgt alle Energien in Ihrem Ereignis auf das Teilchen (z. B. die explosive kinetische Energie einer Supernova-Explosion oder die wirbelnde Anziehungskraft, wenn Materie auf ein Schwarzes Loch fällt). Die detaillierte Physik ist natürlich unglaublich kompliziert und nicht sehr gut verstanden. Die Geburtsorte der kosmischen Strahlung sind furchtbar kompliziert und befinden sich in extremen Regionen unseres Universums, so dass es schwierig sein wird, ein vollständiges physisches Bild zu erhalten.
Wir können jedoch noch einige fundierte Vermutungen anstellen, woher extreme Beispiele wie unser Freund, das OMG-Teilchen, stammen. Unsere erste Vermutung könnten Supernovae sein, der titanische Tod massereicher Sterne. Magnetfelder? Prüfen. Viel Energie? Prüfen. Aber nicht genug Energie, um den Trick zu machen. Ihre stellare Detonation der Gartenart hat einfach nicht genug rohen Schwung, um Partikel mit der Geschwindigkeit auszuspucken, die wir in Betracht ziehen.
Was kommt als nächstes? Aktive galaktische Kerne sind starke Konkurrenten. Diese Kerne entstehen, wenn Materie um ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie in den Untergang wirbelt. Dieses Material komprimiert und erwärmt sich und bildet in seinen letzten Augenblicken eine Akkretionsscheibe. Dieses verdrehte Inferno erzeugt durch Dynamo-Aktionen intensive Magnetfelder und bildet die wirksame Mischung von Inhaltsstoffen, die erforderlich sind, um den ausgestoßenen Partikeln eine ernsthafte Leistung zu verleihen.
Außer (und Sie wussten, dass es ein "Ausnahme" geben würde), die aktiven galaktischen Kerne sind zu weit entfernt, um kosmische Strahlen zu erzeugen, die die Erde erreichen. Bei den lächerlichen Geschwindigkeiten eines kosmischen Strahls mit ultrahoher Energie ist das Durchqueren des Kosmos eher der Versuch, durch einen Schneesturm zu pflügen. Das liegt daran, dass bei diesen Geschwindigkeiten der kosmische Mikrowellenhintergrund - die Flut energiearmer Photonen, die aus dem sehr frühen Universum übrig geblieben sind - stark bluesverschoben zu höheren Energien erscheint. Dieses hochintensive Licht schlägt und schlägt auf den sich bewegenden kosmischen Strahl ein, verlangsamt ihn und stoppt ihn schließlich.
Wir sollten daher nicht erwarten, dass die stärksten kosmischen Strahlen weiter als etwa hundert Millionen Lichtjahre wandern - und die meisten aktiven galaktischen Kerne sind viel, viel weiter von uns entfernt.
Curveballs
Für eine ganze Weile war Centaurus A ein Hauptverdächtiger für die OMG-Erzeugung, ein relativ nahe gelegener aktiver galaktischer Kern, der zwischen 10 und 16 Millionen Lichtjahre entfernt liegt. Kraftvoll, magnetisch und nah - die perfekte Kombination. Obwohl einige Umfragen darauf hingewiesen haben, dass kosmische Strahlen aus ihrer allgemeinen Richtung kommen könnten, gab es nie eine hinreichend klare Korrelation, um diese Galaxie vom Verdächtigen zum Verurteilten zu bewegen. [Ein tiefer Blick auf den seltsamen Galaxy Centaurus A]
Ein Teil des Problems besteht darin, dass das eigene Magnetfeld der Milchstraße die Flugbahn der einfallenden kosmischen Strahlen subtil verändert und ihre ursprünglichen Richtungen verschleiert. Um die Quelle eines kosmischen Strahls zu rekonstruieren, benötigen Sie auch Modelle für die Stärke und Richtung des Magnetfelds unserer Galaxie - etwas, das wir nicht genau im Griff haben.
Wenn der OMG-Generator nicht selbst Centaurus A ist, dann sind es vielleicht die Seyfert-Galaxien, eine bestimmte galaktische Unterklasse von im Allgemeinen engeren, im Allgemeinen schwächeren (aber immer noch wahnsinnig hellen und starken) aktiven galaktischen Kernen. Aber auch hier ist es schwierig, eine strenge statistische Bestimmung vorzunehmen, da nicht einmal hundert Proben herangezogen werden müssen.
Vielleicht sind es Gammastrahlenausbrüche, von denen angenommen wird, dass sie vom eigentümlichen katastrophalen Ende einiger der extremsten Sterne ausgehen. Aber unser Verständnis der Physik dieser Situation ist (können Sie es glauben?) Etwas lückenhaft.
Vielleicht ist es etwas Exotischeres, wie topologische Defekte aus den frühesten Momenten des Urknalls oder einige funky Interaktionen innerhalb der Dunklen Materie. Vielleicht verstehen wir die Physik falsch und unsere Entfernungsberechnungen sind nicht genau. Vielleicht, vielleicht, vielleicht ...
Die wahren Ursprünge dieser hochenergetischen "OMG" -Partikel sind schwer zu bestimmen, und trotz fast 30 Jahren Erkennungsgeschichte haben wir nicht viele eindeutige Antworten. Was in Ordnung ist - es ist gut, zumindest einige Geheimnisse im Universum zu haben. Astrophysiker könnten auch eine gewisse Arbeitsplatzsicherheit gebrauchen.
Weitere Informationen finden Sie in der Folge im Podcast "Ask A Spaceman", der bei iTunes und im Internet unter http://www.askaspaceman.com verfügbar ist. Vielen Dank an hchrissscottt für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder folgen Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter. Folgen Sie uns auf @Spacedotcom, Facebook und Google+. Originalartikel auf Space.com.
