从宇宙中最强大粒子的能量谱中发现了新的宇宙秘密

特拉华大学的研究人员参与了研究宇宙射线的合作。除了装满水的切伦科夫探测器外,阿根廷的皮埃尔·奥杰天文台还有第二种宇宙射线捕捉器——荧光探测器。宇宙射线空气簇射中的带电粒子与大气中的氮相互作用,使其通过一种叫做荧光的过程发射出紫外光,这种过程人眼是看不见的。

比原子还小的粒子几乎以光速在宇宙中穿梭,它们从宇宙的某个地方被放射到太空中。皮埃尔·奥杰天文台的科学合作,包括来自特拉华大学的研究人员,以前所未有的精度测量了这些粒子中最强大的粒子——超高能量宇宙射线。在此过程中,他们发现了能量光谱中的一个“纽结”,这个“纽结”使人们对这些亚原子空间旅行者的可能来源有了更多的了解。

该团队的发现是基于对215030次宇宙射线事件的分析,这些宇宙射线事件的能量超过2.5万亿电子伏特,这些数据是由阿根廷的皮埃尔·奥杰天文台在过去十年中记录的。它是世界上研究宇宙射线的最大的天文台。

新的光谱特征是宇宙射线能谱中一个大约13万亿电子伏特的扭结,它代表的不仅仅是在图表上绘制的点。这使人类更接近解决自然界中最高能粒子的奥秘。

从宇宙中最强大粒子的能量谱中发现了新的宇宙秘密

在这张照片中,美国国立大学的弗兰克·施罗德教授与同事们正在为皮埃尔·奥杰天文台的一个宇宙射线探测器安装无线电天线,该观测站位于阿根廷的马尔格附近。

“自从100年前宇宙射线被发现以来,一个长期存在的问题一直是,是什么加速了这些粒子的呢?”施罗德说。皮埃尔·奥杰合作的测量提供了重要的线索,根据之前的工作,我们知道这种加速器并不在我们的星系中。通过这次最新的分析,我们可以进一步证实我们早期的想法,即超高能宇宙射线不仅仅是氢的质子,而且是来自重元素的原子核的混合物,这种成分会随着能量的变化而变化。

施罗德和俄勒冈大学博士后研究员艾伦·科尔曼多年来一直是皮埃尔·奥杰合作小组的成员,他们对数据分析做出了贡献。特拉华大学于2018年正式作为机构成员加入该合作项目。该天文台由来自17个国家的400多名科学家组成,占地1200平方英里,相当于美国罗德岛的面积。

从宇宙中最强大粒子的能量谱中发现了新的宇宙秘密

阿根廷附近的天文台的一组宇宙射线探测器站。特拉华大学是国际合作组织的成员之一,该组织包括来自17个国家的400多名科学家。

该天文台拥有1600多个被称为水切伦科夫观测站的探测器,分布在草原的高原上,由27个荧光望远镜俯瞰。总的来说,这些仪器可以测量一个超高能宇宙射线粒子在大气中释放的能量,并对其质量提供间接评估。所有这些数据——能量、质量和这些特殊粒子到达的方向——为我们提供了关于它们起源的重要线索。

此前,科学家们认为这些超高能量的宇宙射线粒子大部分是氢的质子,但最近的分析证实了这些粒子有一种核的混合物——有些比氧或氦重,比如硅和铁。

在宇宙射线能谱的曲线图上,您可以看到科学家称为“脚踝”的区域与图的起点(称为“脚趾”)之间的扭结。

从宇宙中最强大粒子的能量谱中发现了新的宇宙秘密

这些检测站分布在1200平方英里的阿马里拉草原上

“我们没有专门的名称,”科尔曼说,他是一个20人团队的成员,编写计算机代码,并进行大量数据分析所需的数字运算。

科尔曼直接参与了这一发现,他改进了粒子级联的重建(即宇宙射线撞击大气层时产生的粒子级联),以估计能量。他还进行了详细的研究,以确保这个新的拐点是真实的,而不是探测器造成的伪影。数据组的工作花费了两年多的时间。

“显然,这是相当轻微的,”科尔曼说到光谱纽结。“但每次你看到这样的突起,就表明物理学正在发生变化,这非常令人兴奋。”

科尔曼说,很难确定进入宇宙射线的质量。但是,这次合作的测量是如此的精确,以致于许多关于超高能量宇宙射线来自何处的其他理论模型现在可以被排除,而其他途径则可以更加积极地进行研究。

从宇宙中最强大粒子的能量谱中发现了新的宇宙秘密

科学家推测,活动星系核可能是超高能量宇宙射线的来源。活动星系核是位于星系中心的超大质量黑洞,其特征是有巨大的物质喷流逃脱掉入黑洞。图中所示的半人马座A,是这个星系的一个例子,它位于离地球不到2000万光年的银河系附近。

活动星系核和星暴星系目前被认为是高能粒子源。虽然它们通常的距离大约是1亿光年,但少数候选行星距离在2千万光年以内。

科尔曼说:“如果我们知道了高能粒子的来源,我们就能研究出有关情况的新细节。”是什么让这些超高能量得以存在?这些粒子可能来自我们甚至不知道的东西。”

科研人员研究的重点是进一步提高超高能宇宙射线的测量精度,并将宇宙射线谱的精确测量范围扩大到更低的能量。施罗德说,这将与其他实验产生更好的重叠,比如在南极对冰立方的宇宙射线测量,这是特拉华大学主要参与的另一个独特的天体粒子观测站。