Black Hole Jets kan sende trio av høy energi partikler på jorden

Forskere på mandag delte en ny teori om et av universets største mysterier, og gir et enkelt svar på et kosmisk spørsmål: Hva er kilden til kosmiske stråler med høy energi, høy-energi-nøytriner og gammastråler som reiser millioner av lysår til nå jorden?

I flere tiår har fysikere forsøkt å løse det kosmiske mysteriet om hvordan disse tre typer partikler - som produserer millioner av ganger mer energi enn vi noen gang kunne produsere på jorden - kommer til vår planet.

I fjor konkluderte forskere som bruker Argentinas Pierre Auger observatorium at disse kosmiske strålene ikke kommer fra vår galakse, men foreslo ikke noen konkrete ideer om hvor de kommer fra.

Det kan alle endres nå. I et papir publisert mandag i tidsskriftet Naturfysikk, foreslår et par fysikere at supermassive svarte hullstråler - materie som utløses fra et svart hull i nærheten av lysets hastighet - fødte alle tre av disse ekstreme partiklene:

• Ultra-høy-energi kosmiske stråler

• PeV neutrinos
• Isotrope sub-TeV gamma-stråler

Et bemerkelsesverdig tilfeldighet

Kohta Murase, en assisterende professor i fysikk, astronomi og astrofysikk ved Penn State University og University of Maryland postdoktorforsker Ke Fang samarbeidet for å utvikle denne nye modellen, som hviler på den bemerkelsesverdige tilfeldigheten at disse højenergiske kosmiske partikler alle har sammenlignbar energi generasjonsfrekvenser.

"Vår modell viser en måte å forstå hvorfor disse tre typer kosmiske messengerpartikler har en overraskende tilsvarende mengde strøminngang til universet, til tross for at de observeres av rombaserte og jordbaserte detektorer over ti størrelsesordener i individuell partikkelenergi, "sa Murase i en uttalelse. De tre partikkelens liknende intensiteter førte til Murase og Fang å lure på om det er et fysisk forhold blant dem.

"Den nye modellen antyder at svært høye energifornutriner og høy-energi gamma-stråler naturlig produseres via partikkelkollisjoner som datterpartikler av kosmiske stråler, og dermed kan arve det sammenlignbare energibudget av deres foreldrepartikler," sa Murase. "Det demonstrerer at den samme energien til de tre kosmiske budbringerne ikke er en tilfeldighet."

Født av Black Hole Jets

Faktisk, ikke bare Murase og Fang hevder at det ikke er en tilfeldighet, de sier at disse partiklene alle har en felles opprinnelse: svarte hullstråler.

"I vår modell flyter kosmiske stråler akselerert av kraftige stråler av aktive galaktiske kjerne gjennom radiobløene som ofte finnes i enden av strålene, sier første forfatter Fang. Etter hvert som strålene forlater strålen, skriver Murase og Fang, partikkelkollisjonene Murase som er beskrevet, produserer svært høy-energi nøytriner og høy-energi gamma stråler.

Denne undersøkelsen er bare et lite skritt mot en bedre forståelse av den såkalte "multi-messenger" -utslipp fra svarte hull (den myriade av signaler produsert i kosmiske hendelser), men Murase og Fang håper at de kan kaste nytt lys på opprinnelsen - og skjebne - av kosmisk stråling ved å belyse forholdet mellom disse tre partiklene.

Abstrakt: Opprinnelsen til ultrahigh-energi kosmiske stråler (UHECRs) er et halvt århundre gammelt mysterium. Mystikken har blitt forsterket av en spennende tilfeldighet: over ti størrelsesordener i energi, er energiproduksjonene av UHECR, PeV-nøytriner og isotrope sub-TeV-stråler sammenlignbare, noe som tyder på et stort samlet bilde. Her rapporterer vi at kraftige svarthullstråler i aggregater av galakser kan levere den felles opprinnelsen til alle disse fenomenene. En gang akselerert med en stråle, blir lav-energi kosmiske stråler innesluttet i radiobæren adiabatisk avkjølt; høyere-kosmiske stråler som forlater kilden, interagerer med det magnetiserte klyngemiljøet og produserer nøytriner og γ-stråler; De høyeste energipartiklene flyr fra verts klyngen og bidrar til de observerte kosmiske strålene over 100 PeV. Modellen er i overensstemmelse med spektrumet, sammensetningen og isotropien til de observerte UHECRene, og forklarer også IceCube-nøytrinene og ikke-blazar-komponenten av Fermi-y-ray-bakgrunnen, og antar en fornuftig energiproduksjon fra svarthullstråler i klynger.