Black Hole Jets kunnen een trio van High-Energy Particles naar de aarde sturen

Wetenschappers hebben maandag een nieuwe theorie gedeeld over een van de grootste mysteries van het universum en bieden een eenvoudig antwoord op een kosmische vraag: wat is de bron van kosmische straling met ultrahoge energie, neutrino's met hoge energie en gammastraling die miljoenen lichtjaren reizen de aarde bereiken?

Tientallen jaren hebben natuurkundigen geprobeerd het kosmische mysterie op te lossen van hoe deze drie soorten deeltjes - die miljoenen keer meer energie produceren dan we ooit op aarde zouden kunnen produceren - op onze planeet aankomen.

Vorig jaar concludeerden wetenschappers die het Pierre Auger Observatorium uit Argentinië gebruikten dat deze kosmische stralen niet uit onze melkweg kwamen, maar geen specifieke ideeën hadden over waar ze vandaan komen.

Dat kan nu allemaal veranderen. In een krant die maandag in het dagboek is gepubliceerd Natuurfysica, stellen een paar natuurkundigen voor dat superzware zwart-gatjets - materie die uit een zwart gat wordt geworpen met bijna de snelheid van het licht - de volgende drie extreme deeltjes hebben voortgebracht:

• Ultra-high-energy kosmische stralen

• PeV-neutrino's
• Isotrope sub-TeV-gammastralen

Een opmerkelijk toeval

Kohta Murase, een assistent-professor natuurkunde, astronomie en astrofysica aan de Penn State University, en postdoctorale onderzoeker Ke Fang van de University of Maryland werkten samen aan de ontwikkeling van dit nieuwe model, dat berust op het opmerkelijke toeval dat deze hoogenergetische kosmische deeltjes allemaal vergelijkbare energie hebben generatie tarieven.

"Ons model toont een manier om te begrijpen waarom deze drie soorten kosmische boodschappersdeeltjes een verrassend vergelijkbare hoeveelheid krachtinvoer hebben in het universum, ondanks het feit dat ze worden waargenomen door op de ruimte gebaseerde en op de aarde gebaseerde detectoren van meer dan tien ordes van grootte in individuele deeltjesenergie, "zei Murase in een verklaring. De gelijkaardige intensiteiten van de drie deeltjes brachten Murase en Fang ertoe zich af te vragen of er een fysieke relatie tussen hen bestaat.

"Het nieuwe model suggereert dat zeer hoge-energie neutrino's en energierijke gammastralen van nature worden geproduceerd via deeltjesbotsingen als dochterdeeltjes van kosmische stralen, en dus het vergelijkbare energiebudget van hun oorspronkelijke deeltjes kunnen erven," zei Murase. "Het toont aan dat de vergelijkbare energetica van de drie kosmische boodschappers misschien niet louter toeval is."

Geboren uit Black Hole Jets

Sterker nog, niet alleen beweren Murase en Fang dat het geen toeval is, ze zeggen dat deze deeltjes allemaal dezelfde oorsprong hebben: zwarte-gatjets.

"In ons model ontsnappen kosmische stralen versneld door krachtige stralen actieve galactische kernen via de radiolobben die vaak aan het einde van de stralen worden gevonden", zegt eerste auteur Fang. Terwijl de stralen de jet verlaten, schrijven Murase en Fang, produceren de deeltjesbotsingen die Murase beschrijft zeer neutrino's met een hoge energie en energierijke gammastralen.

Dit onderzoek is slechts een kleine stap in de richting van een beter begrip van de zogenaamde "multi-boodschapper" -emissie van zwarte gaten (de ontelbare signalen geproduceerd in kosmische gebeurtenissen), maar Murase en Fang hopen dat ze een nieuw licht kunnen werpen op de oorsprong - en het lot - van kosmische straling door de relatie tussen deze drie deeltjes te verlichten.

Abstract: De oorsprong van ultrahoog-energetische kosmische straling (UHECR's) is een half eeuwenoud raadsel. Het mysterie is verdiept door een intrigerend toeval: meer dan tien ordes van grootte in energie, de energieopwekkingssnelheden van UHECR's, PeV-neutrino's en isotrope sub-TeV-y-stralen zijn vergelijkbaar, wat duidt op een groot verenigd beeld. Hier vermelden we dat krachtige zwart gatjets in aggregaten van sterrenstelsels de gemeenschappelijke oorsprong kunnen leveren voor al deze verschijnselen. Eenmaal versneld door een straal worden laag-energetische kosmische stralen opgesloten in de radiokwab adiabatisch gekoeld; hoger-energetische kosmische stralen die de bron verlaten interageren met de gemagnetiseerde clusteromgeving en produceren neutrino's en y-stralen; de deeltjes met de hoogste energie ontsnappen uit de gastheercluster en dragen bij tot de waargenomen kosmische stralen boven 100 PeV. Het model is consistent met het spectrum, de samenstelling en de isotropie van de waargenomen UHECR's en verklaart ook de IceCube-neutrino's en de niet-blazaire component van de Fermi-γ-ray-achtergrond, uitgaande van een redelijke energieafgifte van zwart-gatjets in clusters.