Kredit gambar: NASA
Para astronom percaya bahwa ledakan sinar gamma, ledakan paling kuat di alam semesta, mungkin menghasilkan sinar kosmik energi ultra-tinggi, partikel paling energik di alam semesta. Bukti yang dikumpulkan oleh Compton Gamma-Ray Observatory de-orbit NASA menunjukkan bahwa dalam satu contoh semburan sinar gamma, partikel berenergi tinggi ini mendominasi area yang memberikan koneksi di antara mereka, tetapi ini hampir tidak cukup bukti untuk mengatakan bahwa mereka terhubung secara meyakinkan. .
Ledakan paling kuat di alam semesta, semburan sinar gamma, dapat menghasilkan partikel paling energetik di alam semesta, yang dikenal sebagai sinar kosmik energi ultra-tinggi (UHECRs), menurut analisis pengamatan baru dari Observton Compton Gamma-Ray Observatory NASA.
Para peneliti melaporkan dalam Nature edisi 14 Agustus sebuah pola yang baru diidentifikasi dalam cahaya dari semburan misterius ini yang dapat dijelaskan oleh proton yang bergerak dalam kecepatan cahaya yang sangat singkat.
Proton-proton ini, seperti pecahan peluru dari ledakan, bisa jadi adalah UHECR. Sinar kosmik seperti itu jarang terjadi dan merupakan misteri abadi dalam astrofisika, yang kelihatannya menentang penjelasan fisik, karena mereka terlalu energik untuk dihasilkan oleh mekanisme terkenal seperti ledakan supernova.
"Sinar kosmik 'lupa' dari mana mereka berasal karena, tidak seperti cahaya, mereka dicambuk di ruang angkasa oleh medan magnet," kata pemimpin penulis Maria Magdalena Gonzalez dari Laboratorium Nasional Los Alamos di New Mexico dan mahasiswa pascasarjana di University of Wisconsin. "Hasil ini merupakan kesempatan yang menarik untuk melihat bukti mereka diproduksi di sumber mereka."
Semburan sinar gamma - sebuah ilmuwan misterius akhirnya mulai terurai - dapat bersinar seterang sejuta triliun matahari, dan banyak dari jenis bintang ledakan yang luar biasa kuat. Semburan itu biasa namun acak dan cepat berlalu, hanya berlangsung beberapa detik.
Sinar kosmik adalah partikel atom (misalnya, elektron, proton atau neutrino) yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Sinar kosmik berenergi rendah terus membombardir bumi, didorong oleh nyala matahari dan ledakan bintang yang khas. UHECR, dengan setiap partikel atom yang membawa energi bola baseball yang dilemparkan ke Liga Utama, seratus juta kali lebih energik daripada partikel yang diproduksi di akselerator partikel buatan manusia terbesar.
Para ilmuwan mengatakan UHECR harus dihasilkan relatif dekat dengan Bumi, karena setiap partikel yang bergerak lebih jauh dari 100 juta tahun cahaya akan kehilangan sebagian energinya pada saat mencapai kita. Namun tidak ada sumber lokal sinar kosmik biasa yang tampaknya cukup kuat untuk menghasilkan UHECR.
Makalah yang dipimpin Gonzalez tidak berfokus secara khusus pada produksi UHECR melainkan pola cahaya baru yang terlihat dalam semburan sinar gamma. Menggali jauh ke dalam arsip Compton Observatory (misi berakhir pada tahun 2000), kelompok tersebut menemukan bahwa ledakan sinar gamma dari tahun 1994, bernama GRB941017, tampak berbeda dari 2.700 lainnya - beberapa ledakan yang direkam oleh pesawat ruang angkasa ini. Ledakan ini terletak ke arah rasi Sagitta, Arrow, kemungkinan sepuluh miliar tahun cahaya jauhnya.
Apa yang oleh para ilmuwan disebut sinar gamma adalah foton (partikel cahaya) yang mencakup berbagai energi, bahkan, lebih dari satu juta kali lebih luas daripada energi yang dilihat mata kita sebagai warna dalam pelangi. Kelompok Gonzalez mengamati foton sinar gamma berenergi lebih tinggi. Para ilmuwan menemukan bahwa jenis-jenis foton ini mendominasi letupan: Mereka rata-rata setidaknya tiga kali lebih kuat daripada komponen berenergi lebih rendah, yang mengejutkan, ribuan kali lebih kuat setelah sekitar 100 detik.
Yaitu, sementara aliran foton berenergi rendah yang mengenai detektor satelit mulai mereda, aliran foton berenergi tinggi tetap stabil. Temuan ini tidak konsisten dengan "model syok sinkron populer" yang menggambarkan sebagian besar semburan. Jadi apa yang bisa menjelaskan pengayaan foton berenergi lebih tinggi ini?
“Salah satu penjelasannya adalah bahwa sinar kosmik berenergi tinggi bertanggung jawab, tetapi bagaimana tepatnya mereka menciptakan sinar gamma dengan pola energi yang kita lihat perlu banyak perhitungan,” kata Dr. Brenda Dingus dari LANL, rekan penulis di koran tersebut. "Kami akan membuat beberapa ahli teori sibuk berusaha mencari tahu ini."
Suntikan yang tertunda dari elektron berenergi sangat tinggi memberikan cara lain untuk menjelaskan aliran sinar gamma berenergi besar yang tak terduga yang diamati dalam GRB 941017. Tetapi penjelasan ini akan memerlukan revisi dari model burst standar, kata penulis bersama Dr. Charles Dermer, seorang ahli astrofisika teoritis di US Naval Research Laboratory di Washington. "Dalam kedua kasus, hasil ini mengungkapkan proses baru yang terjadi dalam semburan sinar gamma," katanya.
Semburan sinar gamma belum terdeteksi berasal dalam 100 juta tahun cahaya dari Bumi, tetapi melalui ribuan tahun jenis ledakan ini mungkin terjadi secara lokal. Jika demikian, kata Dingus, mekanisme yang dilihat kelompoknya di GRB 941017 bisa saja digandakan di dekat rumah, cukup dekat untuk memasok UHECR yang kita lihat hari ini.
Semburan lain dalam arsip Compton Observatory mungkin menunjukkan pola yang sama, tetapi datanya tidak konklusif. Teleskop Ruang Angkasa Luas Sinar-gamma (GLAST) milik NASA, yang dijadwalkan diluncurkan pada 2006, akan memiliki detektor yang cukup kuat untuk menyelesaikan foton sinar gamma berenergi lebih tinggi dan memecahkan misteri ini.
Rekan penulis pada laporan Nature juga memasukkan Ph.D. mahasiswa pascasarjana Yuki Kaneko, Dr. Robert Preece, dan Dr. Michael Briggs dari University of Alabama di Huntsville. Penelitian ini didanai oleh NASA dan Office of Naval Research.
UHECR diamati ketika mereka menabrak atmosfer kita, seperti yang diilustrasikan dalam gambar. Energi dari tabrakan menghasilkan hembusan udara miliaran partikel subatomik dan kilatan cahaya ultraviolet, yang dideteksi oleh instrumen khusus.
National Science Foundation dan kolaborator internasional telah mensponsori instrumen di lapangan, seperti High Resolution Fly's Eye di Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) dan Auger Observatory di Argentina (http: / /www.auger.org/). Selain itu, NASA bekerja sama dengan Badan Antariksa Eropa untuk menempatkan Extreme Universe Space Observatory (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) di Stasiun Luar Angkasa Internasional. Misi OWL yang diusulkan akan, dari orbit, melihat ke bawah ke arah pancuran udara, melihat wilayah sebesar Texas.
Para ilmuwan ini merekam kilatan dan mengambil sensus pecahan bom subatomik, bekerja mundur untuk menghitung berapa banyak energi yang dibutuhkan satu partikel untuk membuat kaskade atmosfer. Mereka tiba pada angka mengejutkan 10 ^ 20 elektron volt (eV) atau lebih. (Sebagai perbandingan, energi dalam partikel lampu kuning adalah 2 eV, dan elektron dalam tabung televisi Anda berada dalam kisaran energi volt ribuan elektron.)
Partikel berenergi tinggi ini mengalami efek aneh yang diprediksi oleh teori relativitas khusus Einstein. Jika kita dapat mengamati mereka datang dari sudut terpencil kosmos, katakanlah seratus juta tahun cahaya, kita harus bersabar - itu akan memakan waktu seratus juta tahun untuk menyelesaikan perjalanan. Namun, jika kita dapat melakukan perjalanan dengan partikel, perjalanan berakhir dalam waktu kurang dari satu hari karena pelebaran waktu benda yang bergerak cepat seperti yang diukur oleh pengamat.
Sinar kosmik energi tertinggi bahkan tidak dapat mencapai kita jika dihasilkan dari sumber yang jauh, karena mereka bertabrakan dan kehilangan energi dengan foton gelombang mikro kosmik yang tersisa dari big bang. Sumber sinar kosmik ini harus ditemukan relatif dekat dengan kita, pada jarak beberapa ratus juta tahun cahaya. Bintang-bintang yang meledak sebagai semburan sinar gamma ditemukan dalam jarak ini, sehingga upaya pengamatan intensif sedang dilakukan untuk menemukan sisa-sisa semburan sinar gamma yang dibedakan dengan lingkaran cahaya radiasi yang dibuat oleh sinar kosmik.
Beberapa jenis benda langit memiliki kondisi ekstrem yang diperlukan untuk meledakkan partikel hingga kecepatan UHECR. Jika semburan sinar gamma menghasilkan UHECR, mereka mungkin melakukannya dengan mempercepat partikel-partikel dalam semburan materi yang terlontar dari ledakan mendekati kecepatan cahaya. Semburan sinar gamma memiliki kekuatan untuk mempercepat UHECR, tetapi semburan sinar gamma yang diamati sejauh ini masih jauh, miliaran tahun cahaya jauhnya. Ini tidak berarti mereka tidak dapat terjadi di dekatnya, dalam jarak cutoff UHECR.
Pesaing terkemuka untuk jenis ledakan sinar gamma berumur panjang seperti GRB941017 adalah model supernova / collapsar. Supernova terjadi ketika sebuah bintang berkali-kali lebih masif daripada Matahari yang menghabiskan bahan bakarnya, menyebabkan intinya runtuh karena gravitasinya sendiri sementara lapisan luarnya meledak dalam ledakan termonuklir besar. Collapsars adalah jenis khusus supernova di mana intinya sangat masif sehingga runtuh menjadi lubang hitam, benda yang sangat padat sehingga tidak ada, bahkan cahaya, dapat lepas gravitasinya dalam cakrawala peristiwa lubang hitam. Namun, pengamatan menunjukkan black hole adalah pemakan yang ceroboh, mengeluarkan material yang lewat dekat, tetapi tidak melintasi, cakrawala acara mereka.
Dalam sebuah collapsar, inti bintang membentuk cakram material di sekitar lubang hitam yang baru terbentuk, seperti air yang berputar-putar di selokan. Lubang hitam mengkonsumsi sebagian besar disk, tetapi beberapa materi meledak dalam jet dari kutub lubang hitam. Jet-jet itu merobek bintang yang runtuh mendekati kecepatan cahaya, dan kemudian meninju gas yang mengelilingi bintang yang hancur itu. Saat jet menabrak media antarbintang, mereka menciptakan gelombang kejut dan melambat. Guncangan internal juga terbentuk dalam jet ketika ujung depan lambat dan terhempas dari belakang oleh aliran materi berkecepatan tinggi. Guncangan mempercepat partikel yang menghasilkan sinar gamma; mereka juga bisa mempercepat partikel hingga kecepatan UHECR, menurut tim.
"Ini seperti memantulkan bola pingpong di antara dayung dan meja," kata Dingus. “Saat Anda memindahkan dayung lebih dekat ke meja, bola memantul lebih cepat dan lebih cepat. Dalam semburan sinar gamma, dayung dan meja adalah cangkang yang dikeluarkan di dalam jet. Medan magnet yang bergolak memaksa partikel-partikel untuk memantul di antara cangkang, mempercepat mereka hingga hampir secepat cahaya sebelum mereka lepas sebagai UHECR. ”
Deteksi neutrino dari semburan sinar gamma akan meraih kasus percepatan sinar kosmik oleh semburan sinar gamma. Neutrino adalah partikel yang sulit dipahami yang dibuat ketika proton berenergi tinggi bertabrakan dengan foton. Neutrino tidak memiliki muatan listrik, jadi masih menunjuk kembali ke arah sumbernya.
National Science Foundation saat ini sedang membangun IceCube (http://icecube.wisc.edu/), sebuah detektor kilometer kubik yang terletak di es di bawah Kutub Selatan, untuk mencari emisi neutrino dari semburan sinar gamma. Namun, karakteristik akselerator partikel berenergi tertinggi alam tetap menjadi misteri abadi, meskipun percepatan oleh bintang-bintang yang meledak yang membuat semburan sinar gamma telah mendukung sejak Mario Vietri (Universita di Roma) dan Eli Waxman (Weizmann Institute) mengusulkannya. pada tahun 1995.
Tim percaya bahwa sementara penjelasan lain dimungkinkan untuk pengamatan ini, hasilnya konsisten dengan percepatan UHECR dalam semburan sinar gamma. Mereka melihat sinar gamma energi rendah dan energi tinggi dalam ledakan GRB941017. Sinar gamma berenergi rendah adalah apa yang para ilmuwan harapkan dari elektron berkecepatan tinggi yang dibelokkan oleh medan magnet yang intens, sedangkan sinar berenergi tinggi adalah apa yang diharapkan jika beberapa UHECR yang diproduksi dalam ledakan menabrak foton lain, menciptakan hujan partikel , beberapa di antaranya flash untuk menghasilkan sinar gamma berenergi tinggi ketika mereka membusuk.
Waktu emisi gamma-ray juga signifikan. Sinar gamma berenergi rendah memudar secara relatif cepat, sementara sinar gamma berenergi tinggi bertahan. Ini masuk akal jika dua kelas partikel yang berbeda - elektron dan proton UHECR - bertanggung jawab atas sinar gamma yang berbeda. "Jauh lebih mudah bagi elektron daripada proton untuk memancarkan energi mereka. Oleh karena itu, emisi sinar gamma berenergi rendah dari elektron akan lebih pendek daripada sinar gamma berenergi tinggi dari proton, ”kata Dingus.
Observton Compton Gamma Ray adalah yang kedua dari Observatorium Besar NASA dan setara dengan gamma-ray untuk Hubble Space Telescope dan Chandra X-ray Observatory. Compton diluncurkan di atas pesawat ulang-alik Atlantis pada April 1991, dan pada 17 ton, adalah muatan astrofisika terbesar yang pernah diterbangkan pada waktu itu. Pada akhir misi perintisnya, Compton dinetralisasi dan memasuki kembali atmosfer Bumi pada tanggal 4 Juni 2000.
Sumber Asli: Rilis Berita NASA
