นักดาราศาสตร์พบเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในดาราจักรแล้ว

นักดาราศาสตร์สงสัยมานานแล้วว่ารังสีคอสมิกพลังงานสูงกำเนิดขึ้นในดาราจักรของเราได้อย่างไร ข้อสังเกตใหม่ด้วยความช่วยเหลือของหอดูดาว การทดลอง Cherenkov น้ำระดับความสูงสูง (HAWC) ค้นพบสิ่งที่แทบจะเป็นไปไม่ได้: มิฉะนั้น เมฆโมเลกุลขนาดยักษ์ก็เป็นปรากฏการณ์ทั่วไป

รังสีคอสมิกไม่ใช่รังสี แต่เป็นอนุภาคขนาดเล็กที่เดินทางผ่านจักรวาลด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง พวกมันสามารถประกอบด้วยอิเล็กตรอน โปรตอน หรือแม้แต่ไอออนของธาตุที่หนักกว่า พวกมันถูกสร้างขึ้นจากกระบวนการพลังงานสูงทุกประเภททั่วทั้งจักรวาล ตั้งแต่การระเบิดของซูเปอร์โนวาไปจนถึงการรวมตัวของดาวฤกษ์ และแม้กระทั่งเมื่อหลุมดำดูดก๊าซเข้าไป รังสีคอสมิกมาในพลังงานที่หลากหลาย และโดยทั่วไปแล้ว รังสีคอสมิกพลังงานสูงกว่านั้นพบได้น้อยกว่ารังสีคอสมิกที่มีพลังงานต่ำกว่า อัตราส่วนนี้เปลี่ยนแปลงเล็กน้อยที่พลังงานหนึ่ง - 10^15 อิเล็กตรอนโวลต์ - ซึ่งเรียกว่า "เข่า" อิเล็กตรอนโวลต์หรือ eV เป็นเพียงวิธีที่นักฟิสิกส์อนุภาคต้องการวัดระดับพลังงาน สำหรับการเปรียบเทียบ เครื่องชนกันของอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลกคือ Large Hadron Collider สามารถเข้าถึง 13×10^12 eV ซึ่งมักเรียกกันว่า 13 เทราอิเล็กตรอนโวลต์หรือ 13 TeV

รังสีคอสมิกที่มีพลังงานสูงกว่า 10-15 eV นั้นหายากกว่าที่คิดไว้มาก สิ่งนี้ทำให้นักดาราศาสตร์เชื่อว่ารังสีคอสมิกใดๆ ที่ระดับพลังงานนี้และสูงกว่านั้นมาจากนอกกาแล็กซี ในขณะที่กระบวนการต่างๆ ในทางช้างเผือกสามารถผลิตรังสีคอสมิกได้สูงถึง 10-15 eV อะไรก็ตามที่สร้างรังสีคอสมิกเหล่านี้จะอยู่ในช่วง "พีต้า" ดังนั้นจึงมีพลังมากกว่าเครื่องเร่งอนุภาคที่ดีที่สุดของเรามากกว่า 1000 เท่า ซึ่งเป็น "เพวาตรอน" ตามธรรมชาติที่สัญจรไปมาในกาแลคซี

ภารกิจนั้นง่ายมาก ค้นหาแหล่งที่มาของรังสีคอสมิกระดับ PEV ในทางช้างเผือก แต่แม้จะมีพลังงาน แต่ก็ยากที่จะระบุที่มาของพวกมัน นั่นเป็นเพราะรังสีคอสมิกประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า และอนุภาคมีประจุที่เดินทางในอวกาศระหว่างดวงดาวจะทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กของดาราจักรของเรา ดังนั้นเมื่อคุณเห็นรังสีคอสมิกพลังงานสูงมาจากทิศทางใดทิศทางหนึ่งบนท้องฟ้า คุณไม่มีทางรู้เลยว่าแท้จริงแล้วรังสีคอสมิกมาจากไหน เส้นทางของรังสีนั้นบิดเบี้ยวและบิดเบี้ยวในการเดินทางมายังโลก แต่แทนที่จะมองหารังสีคอสมิกโดยตรง เราสามารถมองหาญาติของพวกมันได้

เมื่อรังสีคอสมิกกระทบกับกลุ่มก๊าซระหว่างดวงดาวโดยไม่ตั้งใจ พวกมันสามารถปล่อยรังสีแกมมา ซึ่งเป็นรังสีรูปแบบพลังงานสูงออกมา รังสีแกมมาเหล่านี้ผ่านดาราจักรเป็นเส้นตรง ทำให้เราสามารถระบุแหล่งกำเนิดได้โดยตรง ดังนั้น หากเราเห็นแหล่งกำเนิดรังสีแกมมาที่รุนแรง เราก็สามารถมองหาแหล่งที่มาของรังสีคอสมิก PEV ที่อยู่ใกล้เคียงได้

ที่น่าสนใจเช่นกัน:

• ดาวนิวตรอนทิ้งมรดกของทองคำและแพลตตินั่มไว้
• อะไรช่วยให้ดาวนิวตรอนร้อนเย็นลง?

วิธีนี้ใช้โดยกลุ่มนักวิจัยที่ใช้ HAWC ซึ่งตั้งอยู่บนภูเขาไฟ Sierra Negra ทางตอนใต้ของเม็กซิโกตอนกลาง HAWC "มอง" ที่ท้องฟ้าถัดจากถังบรรจุน้ำบริสุทธิ์พิเศษ เมื่ออนุภาคพลังงานสูงหรือการแผ่รังสีกระทบกับแหล่งกักเก็บ พวกมันจะฉายแสงสีน้ำเงินวาบออกมา ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถติดตามแหล่งที่มาบนท้องฟ้าได้

ในรายละเอียดในบทความที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ในวารสาร arXiv นักดาราศาสตร์ได้ระบุแหล่งที่มาของรังสีแกมมาที่เกิน 200 TeV ซึ่งสามารถผลิตได้ด้วยรังสีคอสมิกที่ทรงพลังยิ่งกว่าเท่านั้น ซึ่งเป็นรังสีคอสมิกที่เข้าถึงระดับ PEV แหล่งกำเนิดชื่อ HAWC J1825-134 ตั้งอยู่ใกล้กับใจกลางกาแล็กซีโดยประมาณ HAWC J1825-134 ปรากฏให้เราเห็นเป็นหย่อมรังสีแกมมาสว่างที่ส่องสว่างโดยแหล่งกำเนิดรังสีคอสมิกที่ไม่รู้จัก ซึ่งอาจเป็นแหล่งกำเนิดรังสีคอสมิกที่ทรงพลังที่สุดในทางช้างเผือก

ผู้ต้องสงสัยว่าพบแหล่งกำเนิดรังสีคอสมิกพลังงานสูงทั่วไปหลายแห่งอยู่ห่างจาก HAWC J1825-134 เพียงไม่กี่พันปีแสง แต่ไม่มีใครสามารถอธิบายสัญญาณได้อย่างง่ายดาย ตัวอย่างเช่น ศูนย์กลางของดาราจักรเองเป็นตัวกำเนิดรังสีคอสมิกเข้มข้นที่ทราบกันดี แต่อยู่ไกลเกินไปจาก HAWC J1825-134 ที่จะเกี่ยวข้องกับการวัดเหล่านี้ มีซูเปอร์โนวาบางส่วนหลงเหลืออยู่ และซูเปอร์โนวามีพลังมหาศาลอย่างไม่ต้องสงสัย แต่ซูเปอร์โนวาทั้งหมดในบริเวณ HAWC J1825-134 ระเบิดไปนานแล้ว นานเกินไปที่จะผลิตรังสีคอสมิกพลังงานสูงเหล่านี้ในตอนนี้

พัลซาร์—เศษซากที่หนาแน่นและหมุนอย่างรวดเร็วของแกนกลางของดาวฤกษ์มวลมาก—ยังผลิตรังสีคอสมิกจำนวนมากอีกด้วย แต่พวกมันก็อยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดรังสีแกมมามากเกินไป ซึ่งเป็นพลังงานของอิเล็กตรอนและโปรตอนที่มาจากพัลซาร์ พวกมันไม่สูงพอที่จะเดินทางหลายพันปีแสงไปยังจุดที่รังสีแกมมาปล่อยออกมา

น่าแปลกใจที่แหล่งที่มาของรังสีคอสมิกที่ทำลายสถิติเหล่านี้กลับไม่ใช่ใครอื่นนอกจากเมฆโมเลกุลขนาดยักษ์ เมฆเหล่านี้เป็นสิ่งมีชีวิตขนาดยักษ์ที่เงอะงะ เต็มไปด้วยฝุ่นและก๊าซที่เดินเตร่ในกาแลคซี บางครั้งพวกมันหดตัวและกลายเป็นดวงดาว แต่อย่างอื่นพวกมันอาจนิ่งและคลายตัวเป็นเวลาหลายพันล้านปี

ภายในกลุ่มเมฆเป็นกลุ่มดาวเกิดใหม่ แต่ดาวอายุน้อยที่เพ้อฝันและดังที่สุดก็ไม่คิดว่าจะมีพลังมากพอที่จะปล่อยรังสีคอสมิกออกมา นักวิจัยเองยอมรับว่าพวกเขาไม่รู้ว่าเมฆก้อนนี้ทำได้อย่างไร แต่เมื่อไม่มีใครให้ความสนใจ มันก็สร้างอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในกาแลคซีทั้งหมด

อ่าน:

• พบอิเล็กตรอนเป็นกลางแปลก ๆ ในสถานะของสสารใหม่
• ห้าวิธีที่ปัญญาประดิษฐ์สามารถช่วยเราได้ในการสำรวจอวกาศ