Az elektronok rekordenergiákkal csapdába ejtik a teleszkópokat

Ábra. 2: Egy forgó pulzár művészi ábrázolása erős mágneses mezejével, amely vele együtt forog. A töltött részecskék felhői a mezővonalak mentén mozognak, és gammasugarakat bocsátanak ki, amelyek olyanok, mint a világítótorony fényei, a mágneses mezők által fókuszálva. Ezekben a mágneses mezőkben pozitronok és elektronok párok keletkeznek és gyorsulnak fel, így a pulzárok potenciális forrásai lehetnek a magas energiájú kozmikus elektronoknak és pozitronoknak. © NASA/Goddard Űrrepülési Központ Koncepcionális Kép Laboratórium

Ábra. 1: A H.E.S.S. teleszkóp-elosztás vizualizációja, amely a magasenergetikus kozmikus elektronok és pozitronok, valamint a gamma-sugarak által létrehozott részecskeszórásokat rögzíti. © MPIK/H.E.S.S. Kollaboráció / Fig. 1: A H.E.S.S. teleszkóp-elosztás vizualizációja, amely a magasenergetikus kozmikus elektronok és pozitronok, valamint a gamma-sugarak által létrehozott részecskeszórásokat rögzíti. © MPIK/H.E.S.S. Kollaboráció

Ábra. 3: A CRe energiavesztespektruma. A vörös körök a H.E.S.S. által mért CRe-jelölteket jelzik. A sötét vörös sáv a hozzáillesztett törött hatványfüggvényt fejezi ki, melynek szélessége a mérési statisztikai hibáknak felel meg. A világoskék sáv a tényleges CRe-áramlás becsült tartományát mutatja, figyelembe véve a CRn szennyeződést, valamint a statisztikai és rendszeres hibákat.

A H.E.S.S.-kollaboráció tudósai, köztük egy német egyetemekből álló konzorcium, a Max-Planck-Institut für Kernphysik és a CNRS Franciaországban, nemrég azonosították a valaha mért legenergiadúsabb elektronokat és pozitronokat, amelyek valaha a Földön mértek. Bizonyítékokat szolgáltatnak kozmikus folyamatokra, amelyek hatalmas energiákat szabadítanak fel, eredetük még ismeretlen. Ezek az eredmények november 25-én jelennek meg a Physical Review Letters folyóiratban.

Az univerzum tele van extrém környezetekkel, a leghidegebb hőmérsékletektől a legenergiadúsabb forrásokig. Extrém objektumok, mint szupernóva-maradványok, pulzárok vagy aktív galaktikus magok, töltött részecskéket és gammasugárzást képesek előállítani, amelyek energiái több nagyságrenddel meghaladják azokat, amelyeket hőmérsékleti folyamatok, például a magfúzió során csillagokban elérnek.

Miközben az emisszióként kibocsátott gammafény zavartalanul halad át az űrön, a töltött részecskék – más néven kozmikus sugárzás – a világegyetem mindenütt jelen lévő mágneses mezői által el vannak térítve, és egyenletesen érkeznek a Földre minden irányból. Emellett a töltött részecskék energiájukat veszítik a fény és a mágneses mezők kölcsönhatásával. Különösen erősek ezek a veszteségek a legenergiadúsabb elektronokra és pozitronokra, amelyek energiája meghaladja a Teraelektronvoltot (1 TeV = 10^12 elektronvolt), azaz a kozmikus sugárzás elektronjaira (CRe). Az ő jelenlétük a Földön egyértelmű jele annak, hogy erős kozmikus részecskék gyorsítói működnek a közelünkben, még akkor is, ha eredetük a világegyetemben nem határozható meg közvetlenül.

Azonban ezeknek a magas energiájú részecskéknek a kimutatása nehéz: a földi teleszkópok, amelyek detektorfelülete körülbelül egy négyzetméter, nem képesek elegendő mennyiségben elfogni a ritka részecskéket. A földi eszközök képesek kimutatni a részecskék által kiváltott kaszkádokat, amelyek akkor keletkeznek, amikor kozmikus részecskék becsapódnak a Föld atmoszférájába, de kihívás előtt állnak abban, hogy megkülönböztessék az elektronok vagy pozitronok által kiváltott kaszkádokat a sokkal gyakoribb, nehezebb kozmikus magok becsapódásából származó kaszkádoktól. 2008-ban a kutatók először sikerült azonosítani ezeket a CRe-ket a földi H.E.S.S.-Cherenkov-teleszkóp adataiban.

A Namibia-i H.E.S.S. megfigyelőállomás öt nagy képalkotó atmoszférikus Cherenkov-teleszkópot használ, hogy érzékelje a gyenge Cherenkov-fényt, amelyet a magas energiájú részecskék és fotonok bocsátanak ki, amikor áthaladnak a bolygónk atmoszféráján, és kaszkádokat hoznak létre (1. ábra). Bár a H.E.S.S. elsődleges célja a gamma-sugárzás detektálása, kiválasztása és forrásainak mérése, az adatok felhasználhatók kozmikus elektronok keresésére is.

Egy új elemzésben, amelyet a H.E.S.S.-kollaboráció tudósai mutattak be, új eredményeket sikerült szerezni ezen részecskék eredetéről. A csillagászok a több mint egy évtized alatt négy H.E.S.S.-teleszkóp által gyűjtött hatalmas adathalmazt újraértékelték, és új, szigorú szűrőalgoritmusokat alkalmaztak, hogy a kozmikus elektronokat az eddigi legkisebb háttérkontaminációval azonosítsák. Ez egy eddig példátlan statisztikai adatállományhoz vezetett az kozmikus elektronok elemzésében. Különösen az, hogy a kutatók első ízben tudtak CRe-adatokat gyűjteni a legmagasabb energiatartományban, akár 40 TeV-ig (Teraelektronvolt).

"Megfigyeljük, hogy a CRe energiaskálája egyenletesen csökken az energiával, de kb. 1 Teraelektronvolt körül az spektrum drámaian meredeken lelapul. Mind a felette, mind alatta ez a spektrum egy hatványfüggvény szerint viselkedik, és nem mutat további rendellenességeket, mint ahogy azt sok modell a CRe gyorsítására jósolta" – jegyezte meg Mathieu de Naurois a Laboratoire Leprince-Ringuet, E'cole Polytechnique, CNRS egyik fő szerzője.

A kutatók azonban megállapították, hogy az átmenet a lapos és meredek energiaskála között kb. 1 Teraelektronvolt körül váratlanul éles.

„Ez egy fontos eredmény, mert ebből arra következtethetünk, hogy a mérhető kozmikus sugárzás valószínűleg csak néhány közeli forrásból származik, amelyek legfeljebb néhány ezer fényévre vannak tőlünk – ez egy nagyon kicsi távolság a galaxisunk méretéhez képest. Számos forrásból származó emissziók különböző távolságokban összemosódnának ezt a jelet” – magyarázta Kathrin Egberts a Potsdami Egyetemről, aki a tanulmány egyik vezető szerzője. „Részletes elemzésünkkel elsőként tudtuk erősen behatárolni ezen kozmikus elektronok eredetét.”

Prof. Werner Hofmann a Max-Planck-Institut für Kernphysik-ból Heidelbergben hangsúlyozta az új elemzés fontosságát az asztrofizikai kutatásban: „A magas energiákon mért nagyon alacsony fluxusok jelentősen korlátozzák a műholdas küldetések lehetőségeit hasonló mérések elvégzésére. Elemzésünk most olyan adatokat szolgáltat egy döntő és eddig kutatás nélkül hagyott energiaskálán, amelyek befolyásolják a helyi környezet megértését. Ez várhatóan a következő időszakban is az egyik mérvadó lesz ebben az energiaskálában” – összegzett.

A H.E.S.S.-megfigyelőállomás

A magas energiájú gamma-sugárzás csak trükk segítségével figyelhető meg a Földről. Amikor egy gamma-sugár behatol a légkörbe, ütközik atomokkal és molekulákkal, és új részecskéket hoz létre, amelyek lavinaszerűen haladnak a Föld felé. Ezek a részecskék villanásokat bocsátanak ki, amelyek csak néhány milliárdszázad másodpercig tartanak (Cherenkov-sugárzás), és speciálisan felszerelt nagy távcsövekkel figyelhetők meg a földön. A magas energiájú gamma-ásványtudomány az atmoszférát használja hatalmas fényképernyőként. A Namibia-i Khomas-hegységben található H.E.S.S. 2002-ben hivatalosan üzembe helyezték. Öt távcsőből áll, négy 12 méteres tükörátmérővel, amelyek egy négyzet sarkain helyezkednek el, egy pedig a közepén található 28 méteres távcső. Ez lehetővé teszi, hogy a kozmikus gamma-sugárzást a néhány tíz Gigaelektronvolt (GeV, 10^9 elektronvolt) és néhány tíz Teraelektronvolt (TeV, 10^12 elektronvolt) közötti tartományban detektálja. Összehasonlításképpen: a látható fény részecskéi energiája két-három elektronvolt. A H.E.S.S. jelenleg az egyetlen eszköz, amely a déli égboltot magas energiájú gamma-fényben figyeli, és egyben a legnagyobb és legérzékenyebb teleszkóp-rendszer ilyen típusú között.

Bibliográfia:
High-Statistics Measurement of the Cosmic-Ray Electron Spectrum with H.E.S.S.
H.E.S.S. Kollaboráció. Physical Review Letters, 2024. november 25.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.221001
arXiv: http://arxiv.org/abs/2411.08189