Äärimmäisen korkean energian kosmiset säteet (UHECR) ylittävät tehollaan kaiken, mitä ihminen voi tuottaa laboratoriossa. Niiden löytö tapahtui yli 60 vuotta sitten, mutta niiden tarkka alkuperä on edelleen mysteeri. Glennys Farrar, fyysikko New Yorkin yliopistosta, ehdottaa uutta selitystä, joka liittyy neutronitähtien fuusioihin.
Farrarin teorian mukaan nämä hiukkaset kiihtyvät neutronitähtien fuusioista syntyvissä myrskyisissä magneettikentissä. Tämä prosessi, joka edeltää mustan aukon muodostumista, tuottaa myös gravitaatioaaltoja. Näitä on jo havaittu LIGO-Virgo-yhteistyön toimesta, tarjoten vahvistusmahdollisuuden.
Teoria selittää kaksi UHECR:n arvoituksellista ominaisuutta: niiden äärimmäisen energian ja tämän energian ja niiden sähköisen varauksen välisen korrelaation. Se ehdottaa, että energisimmät hiukkaset tulevat harvinaisista alkuaineista, kuten ksenonista tai telluurista, jotka muodostuvat näiden fuusioiden aikana.
Tämä edistysaskel avaa uusia näkymiä kosmiseen tutkimukseen. Se yhdistää merkittäviä astrofysikaalisia ilmiöitä, kuten lyhyitä gamma-purkauksia, harvinaisten alkuaineiden tuotantoon. Tulevat havainnot voisivat vahvistaa tätä mallia etsimällä erittäin korkeaa energiaa omaavia neutriinoja, jotka liittyvät gravitaatioaaltoihin.
Tutkimus, joka on julkaistu Physical Review Letters -lehdessä, perustuu edistyneisiin tietokonesimulaatioihin. Se osoittaa, kuinka fuusion aikana voimistuneet magneettikentät voivat muotoilla suihkuja, jotka pystyvät kiihtymään UHECR:iksi. Nämä työt perustuvat eri observatorioilta ympäri maailmaa kerättyihin tietoihin.
Farrar korostaa tämän löydön merkitystä universumin ymmärtämisessä. Se tarjoaa testattavan teoreettisen viitekehyksen, joka voisi yhdistää useita astrofysiikan aloja. Seuraavat vuodet ovat ratkaisevia tämän hypoteesin vahvistamiseksi tai kumoamiseksi, kun gravitaatioaaltojen ja kosmisten säteiden havaitsemislaitteita parannetaan.
Kuinka neutronitähtien fuusiot tuottavat harvinaisia alkuaineita?
Neutronitähtien fuusiot ovat kosmisia teollisuuslaitoksia, jotka tuottavat harvinaisia ja raskaita alkuaineita, kuten kultaa tai platinaa. Tätä prosessia, jota kutsutaan nopeaksi neutronikaappaukseksi (r-prosessi), tapahtuu äärimmäisissä tiheys- ja lämpötiloissa.
Fuusion aikana suuria määriä neutroneja vapautuu ja ne vangitaan atomiytimien toimesta. Tämä johtaa epävakaiden isotooppien muodostumiseen, jotka hajoavat sitten stabiileiksi alkuaineiksi. Nämä ydinreaktiot ovat niin nopeita, että niitä ei voi tapahtua tavallisissa tähdissä.
Näin luodut alkuaineet leviävät sitten avaruuteen fuusion shokkiaaltojen kautta. Ne rikastuttavat tähtienvälistä ainetta, vaikuttaen tulevien tähtien ja planeettojen kemialliseen koostumukseen. Tämä mekanismi selittää, miksi nämä alkuaineet ovat suhteellisen harvinaisia universumissa.
Mikä on magneettikenttien rooli neutronitähtien fuusioissa?
Magneettikentillä on keskeinen rooli neutronitähtien fuusioissa. Aluksi jokaisella tähdellä on oma magneettikenttä, joka on usein erittäin voimakas. Fuusion aikana nämä kentät sekoittuvat ja voimistuvat turbulenssin vaikutuksesta.
Tämä voimistuminen voi saavuttaa äärimmäisiä tasoja, luoden monimutkaisia magneettistruktuureja. Nämä rakenteet pystyvät kiihtymään hiukkasia valtavilla energioilla, kuten UHECR:illä. Ne voivat myös kanavoida osan fuusion energiasta suihkuina, jotka ovat vastuussa lyhyistä gamma-purkuista.
Mustan aukon muodostumisen jälkeen magneettikenttä järjestäytyy sen ympärille. Äskettäiset numeeriset simulaatiot auttavat ymmärtämään näitä dynaamisia prosesseja ja niiden havaittavia jälkiä.