神秘的な超高エネルギー宇宙船に衝撃を受けた天文学者たち – 「いったい何が起こっているのか？」

Oh-My-God粒子次に新しく命名されたAmaterasu粒子は、希少な超高エネルギー宇宙船の起源、伝播、および粒子物理学の謎を深めます。

1991年のユタ大学フライヌン（Fly’s Eye）実験では、これまで観測された中で最も高いエネルギーの宇宙船を発見しました。 後で、Oh-My-God粒子と命名された宇宙船のエネルギーは、天体物理学者たちに衝撃を与えました。 私たちの銀河のどれもそれを生成する力を持っておらず、その粒子は他の銀河から地球に移動する宇宙船に対して理論的に可能なものよりも多くのエネルギーを持っていました。 簡単に言えば、粒子が存在してはいけません。

天文学的謎

望遠鏡の配置は30以上の超高エネルギー宇宙船を観察しましたが、オマイガットレベルのエネルギーにはアクセスできませんでした。 まだ、その起源や地球までどのように移動できるかを明らかにした観測はありません。

「アマテラス粒子」という名前の望遠鏡アレイ実験の表面検出器アレイとして観察された非常に強力な宇宙船のアーティストの写真。 クレジット: 大阪首都大学/L-INSIGHT, 京都大学/竹重龍之介

2021年5月27日、望遠鏡アレイ（Telescope Array）実験では、2番目に高い極エネルギー宇宙船が検出されました。 2.4×10から²⁰eV、この単一亜原子粒子のエネルギーは、腰の高さからつま先にレンガを落とすのと同じです。 ユタ大学（U）と東京大学が主導する望遠鏡の配置は、700kmをカバーする正方形の格子で配置された507の表面検出ステーションで構成されています。² （〜270マイル²）ユタ州西部砂漠のデルタ郊外。 この事件は望遠鏡アレイの北西部で23個の検出器を作動させ、48kmにわたって跳ね返った。² (29.5マイル²）。 その到着方向は、地域と接している空きスペースであるローカルボイド（Local Void）から来るように見えました。 天の川 銀河。

「粒子はエネルギーが高すぎるため、銀河系や銀河外の磁場に影響を与えてはなりません。 あなたはそれが天からどこから来たのかを指摘することができなければなりません。」 「しかし、オマイガット粒子とこの新しい粒子の場合、その軌跡をその源まで追跡すると、それを生成するほど高いエネルギーはありません。 それは謎です。 一体何が起きているの？」

アマテラス粒子

2023年11月24日にジャーナルに掲載された彼らの観察から 科学研究者の国際協力は、超高エネルギー宇宙船を記述し、その特性を評価した後、まれな現象が科学に知られていない粒子物理学に従うことができるという結論を下しました。 研究者たちはこれを日本神話に出てくる太陽女神の名にちなんでアマテラス粒子と命名しました。 Oh-My-GodとAmaterasu粒子はさまざまな観察技術を使用して検出され、これらの超高エネルギー現象はまれですが実際に発生することが確認されています。

電磁界の影響を受ける弱い宇宙船とは対照的に、非常にエネルギー的な現象を明確にするために超高エネルギー宇宙船天文学のアーティストのイラストです。 著者：大阪市立大学/京都大学/竹重龍之介

「このような出来事は、天のまったく異なる場所から来るようです。 不思議な情報源が一つもないようです。 「それは宇宙のひもと衝突する時空間構造の欠陥かもしれません。 私の言葉は、私は伝統的な説明がないので、人々が思い出す狂ったアイデアを吐き出すだけです。

自然の粒子加速器

宇宙船(Cosmic Rays)は物質を亜原子構造に分解し、ほぼ光の速度で宇宙全体に投げる激しい天体事件のエコーです。 本質的に、宇宙船は、正の陽子、負の電子、または全原子核からなる広範囲のエネルギーを有する荷電粒子であり、宇宙を通過し、ほぼ絶えず地球に注がれる。

宇宙船は地球の大気圏の上層部に衝突し、酸素と窒素ガスの核を爆発させて多くの二次粒子を生成します。 これらは大気中から短い距離を移動し、このプロセスを繰り返して表面に散在する数十億の二次粒子を生成します。 この補助シャワーの設置スペースは広く、検出器は望遠鏡の配置と同じくらい大きな面積をカバーする必要があります。 表面検出器は、研究者に各宇宙船に関する情報を提供する一連の機器を利用します。 信号のタイミングは軌跡を示し、各検出器に当たる荷電粒子の量は一次粒子のエネルギーを明らかにします。

粒子は電荷を持っているので、粒子が宇宙マイクロ波の背景を通って電磁場に対してジグザグに移動するとき、粒子の飛行経路はピンボール機械のボールに似ている。 エネルギースペクトルの中間から中間まで存在するほとんどの宇宙船の軌跡を追跡することはほとんど不可能である。 高エネルギー宇宙船でさえ、マイクロ波の背景によって歪められます。 Oh-My-GodとAmaterasuエネルギーを含む粒子は、比較的曲がっていない銀河空間を通して爆発します。 最も強力な天上の出来事だけがそれを生み出すことができます。

「人々が超新星のようにエネルギーがあると思うものは、そうするほどエネルギーがまったくありません。 加速中に粒子を閉じ込めるには、膨大な量のエネルギーと非常に高い磁場が必要です。」とMatthewsは言います。

超高エネルギー宇宙船の謎

超高エネルギー宇宙船は5 x 10を超える必要があります。¹⁹ eV。 これは、単一のア原子粒子がメジャーリーグ投手のファーストボールと同じ運動エネルギーを伝達し、人間が作った粒子加速器よりも数千万倍多くのエネルギーを有することを意味する。 天体物理学者たちは、Greisen-Zatsepin-Kuzmin（GZK）カットオフとして知られているこの理論的限界を計算しました。 活性銀河核や粒子ジェットを放出する沈着円盤を持つブラックホールなどの知られているソース候補は、地球から1億6千万光年以上離れている傾向があります。 新しい粒子は2.4×10²⁰ eVとOh-My-God粒子の3.2×10²⁰ eVはカットオフを容易に超えています。

研究者はまた、その起源に関する手がかりを見つけるために宇宙船の構成を分析します。 鉄核のような重い粒子は、水素のプロトンで作られた軽い粒子よりも重く、より多くの電荷を持ち、磁場で曲がりやすい。 原子。 新しい粒子はプロトンである可能性が高いです。 粒子物理学によると、GZKカットオフ以上のエネルギーを持つ宇宙船は、マイクロ波の背景が経路を歪めるには強すぎるが、軌道点を空の空間に逆追跡する。

「磁場は私たちが思ったよりも強いかもしれませんが、これは10〜20分の1電子ボルトエネルギーでかなりの曲率を生成するのに十分なほど強くないという他の観察結果と一致しません」とBelzは言います。 「本当にミステリーですね」

研究拡張と望遠鏡アレイ

それだけ 望遠鏡アレイ 超高エネルギー宇宙船を探知できるユニークな位置にあります。 それは二次粒子が最大に発達することができますが、崩壊する前の高度最適地点である約1,200m（4,000フィート）に位置しています。 ユタ西部の砂漠に位置するこの場所は、2つの側面で理想的な大気条件を提供します。 つまり、湿度が検出に必要な紫外線を吸収するので、乾燥した空気が重要です。 光の公害により、騒音が多すぎて宇宙船が隠されているため、この地域の暗い空は不可欠です。

天体物理学者たちはまだ神秘的な現象に慌てています。 Telescope Array は、イベントを解決するのに役立つと期待する拡張作業です。 完了すると、500個の新しいシンチレーション検出器が望遠鏡アレイを拡張し、2,900kmにわたって宇宙船による粒子シャワーをサンプリングします。² （1,100マイル² ）、ロードアイランドのサイズとほぼ同じ地域です。 より大きな足跡は、何が起こっているのかを明らかにするより多くのイベントをキャプチャできることを願っています。

この発見の詳細については、以下を参照してください。

参照：「表面検出器アレイで観察された非常に強力な宇宙船」2023年11月23日、 科学。
DOI：10.1126/science.abo5095