超级虎帮助探索宇宙射线

大麦哲伦星云中的狼蛛星云

宇宙射线被认为起源于被称为OB关联的大质量恒星的巢穴,比如大麦哲伦星云中的狼蛛星云,它是银河系的一个卫星星系。但是科学家们是怎么知道的呢?NASA, ESA, & F. Paresce (INAF-IASF), R. O 'Connell(弗吉尼亚大学)和HST WFC3科学监督委员会

自从宇宙射线首次成为科学界好奇的对象以来,大约已经过去了100年,但现在科学家终于接近于解开这个谜团。

小学科学老师有时会分发“神秘盒子”,里面装着坡道、障碍物和一块松动的弹珠。通过旋转盒子,感受弹珠悬挂或掉落,学生们试图推断盒子里面是什么。

物理学家们试图理解为什么微小粒子不断地从太空中落下,面临着类似的困境,但他们的盒子有十万光年宽,他们唯一的线索就是粒子本身。

让事情变得更有趣的是,这些粒子并不是沿着直线在星系中运动,而是沿着没有任何线索的曲折路径运动。

给野兽命名
考虑到这些困难,人们花了将近100年的时间才部分解开宇宙射线之谜,这也许并不令人惊讶。但是,科学家们现在正在紧追不舍,他们觉得他们终于接近于找到一个完整的解决方案。

宇宙射线第一次成为人们好奇的对象是在世纪之交,当时科学界正忙于发现不同类型的看不见的辐射,包括电子、X射线和放射性元素的发射。

对这种新型辐射进行实验的科学家们很快发现,一些高能辐射能够到达由铅屏蔽层保护的探测器。这种穿透性辐射从何而来?人们普遍认为它是由地壳中的放射性物质释放出来的。

维克多·赫斯在他气球的篮子里

维克多·赫斯在他的一个气球的篮子里。这群狂热的科学迷通常是从照片的复制品上裁掉的。

奥地利科学家维克多·赫斯(Victor Hess)推翻了这一观点,他在10次高空气球飞行中证明,气球飞得越高,所遇到的辐射穿透性越强。来源,那么,必须是外星(宇宙)而不是地球。

起初,辐射被认为是伽马射线(高能电磁辐射),这就是为什么它被命名为宇宙“射线”。但累积的证据表明,这些射线受到地球磁场的影响,这表明辐射是由带电粒子组成的。

两个科学巨人科学,诺贝尔·洛杉矶和亚瑟·霍莉·普通·普通·普罗兰·康普顿长度辩论,米利凯斯支持宇宙射线是辐射和康普顿(正确)争论它们是肉体的。

华盛顿大学与康普顿有着特殊的联系。1920-23年,他是这里的物理系主任1927年,他获得了诺贝尔物理学奖因为他在x射线散射方面的工作他在伊兹大厅的地下室做的工作。他于1923年离开这所大学,后于1945年至1953年回到这里担任校长。

高空气球再次前来救援,首先显示进入的辐射由质子(氢原子核)组成,然后是质子中较重元素的剥离核。

今天我们知道90%的宇宙射线是氢核(质子),9%是氦核,剩下的1%是重元素的核。

大多数原子核的能量在108到1010电子伏之间,当能量较高时,粒子数量急剧减少。这些能量足够高,粒子以三分之二的光速或更快的速度穿过星系。

由于1962年,也发现了1020个电子伏特以上的能量的少数颗粒。这些能量远远高于科学家认为这些额外的EnergtiC颗粒必须由胶质源(例如超级分类)提供动力的大多数宇宙射线黑洞在附近星系的中心。但对它们知之甚少。

跟踪他们的巢穴

一旦科学家们了解了宇宙射线是什么,下一个问题就是:它们从哪里来?

华盛顿大学物理学教授、超级老虎研究所联合研究员马丁·伊斯雷尔博士说,这个问题分为两个部分。第一个问题是所有的能量来自哪里?

伊斯雷尔说:“我们大致知道星系中宇宙射线的密度,由于宇宙射线中的‘时钟’核,我们知道粒子在泄漏之前在星系中游荡了多长时间。”“这两种测量方法一起告诉我们,在单位时间内有多少能量——有多少能量——产生宇宙射线。

“所以我们问了星系中的内容是产生足够的力量来加速他们,而且几乎肯定是唯一的候选人是超新星爆炸性哈哈标志着大型恒星的暴力死亡。

“我们知道这种超新星爆炸释放了多少能量,爆炸的频率大概有多高,”以色列说结果表明,超新星爆炸释放的能量中大约有10%可能被加速的宇宙射线所吸收。”

这个问题的第二部分是:能量在哪里加载到粒子上?

这一次的线索是宇宙射线中丰富的不同元素。在大多数情况下,这些丰度与巨大的分子云中的元素丰度相匹配,太阳系就是从分子云中浓缩出来的,被称为“太阳系背景”。

但并非总是如此。1997年,设计用于研究宇宙射线和太阳风粒子的航天器ACE的数据表明,宇宙射线中的某些同位素比太阳系背景中的同位素丰富得多。

“最离谱的是氖22和氖20的比率,”物理学研究教授、超级老虎的首席研究员w·罗伯特·宾斯博士说。“结果证明,宇宙射线中的辐射强度是太阳系背景下的5倍,这是一个巨大的差异。”

氖22的丰度令人惊讶,因为核合成计算和天文观测表明,它大量由沃尔夫-雷耶特恒星产生,这是质量大于30个太阳质量的恒星演化的一个壮观阶段。

在沃尔夫-拉耶阶段,恒星发出明亮的光芒,向外推的光的力量形成了猛烈的恒星风,冲刷恒星的表面,在短短一年的时间里带走了相当于地球的物质。

新月星云

天鹅座的新月星云是由中心的沃尔夫-拉耶星向外吹来的强风形成的。这颗恒星的高亮度所驱动的强大高速风每年可以将相当于地球质量的物质从恒星表面扫走。科学家认为有些宇宙射线是沃尔夫-拉耶风物质。J-P Metsavainio(天文学无政府主义)

宾斯说:“沃尔夫-拉耶星的风里有很多霓虹灯。”“所以,一旦人们了解到宇宙射线中霓虹灯过多,就很可能是沃尔夫-拉叶恒星造成的。

“我们无法解释我们的数据,”宾斯说,“除非我们假设宇宙射线有两个来源。其中一个组成部分是普通的太阳系背景材料,只是日常生活中的灰尘和气体。另一种成分是来自Wolf Rayet恒星的物质。”

为了使这些数字起作用,物理学家们发现他们必须在八份星际介质中加入两份Wolf-Rayet物质。

在这一点上,更大的图景开始浮现。”比恩斯说:“沃尔夫·雷耶特恒星的问题是,它们几乎都是在被称为OB协会的松散组织的炽热大质量恒星群中发现的。”

这些是由单个星际云形成的星团,它们一起在太空中漂移。百分之九十的恒星被认为是在恒星组合中形成的,其中有三种类型的恒星因其所含恒星的性质而不同。

最大质量的恒星诞生于OB组合中,由10到几百颗光谱类型为O和B的恒星(都是大质量的蓝色恒星)组成。来自恒星的高速风和超新星爆炸,在它们即将结束短暂生命时,在星际介质中吹出巨大的空洞,剩余的恒星在其中大胆地闪耀着。

它开始看起来像科学家们已经钉了证据并密封案件。来自狼 - 林恒星的风播种了与异国情调同位素的ob关联中的星际培养基,然后通过超新佳爆炸的葡萄球菌与普通的太阳系材料一起扫除并加速。

大麦哲伦星云中的OB关联

ob在大杂志中的ob关联的另一个看法。协会内的超新星爆炸的Salvoes被认为是能够为宇宙光线提供助力的发动机。ESA / HUBBLE,NASA和D. A Gouliermis

一个小谜题

宾斯和伊斯莱尔还提出了另一个小难题,部分原因是它是宇宙射线科学方法的一个很好的例子。

问题是:宇宙射线是在超新星爆炸中产生并释放出来的吗?或者宇宙射线是超新星产生的东西,喷射到星际介质中,然后在100万年后被另一颗超新星的冲击波加速?

你怎么知道哪个场景是正确的呢?

结果是镍同位素给出了答案。自然界中发现的大多数镍以两种稳定同位素的形式存在:镍58和镍60。然而,镍59具有放射性且不稳定。

重要的是,镍59通过俘获它自己的一个电子而衰变,这个电子将质子转化为中子,将镍59转化为钴59。
但宇宙射线是裸露的核,当它们加速到宇宙射线能量时,他们的电子剥离了它们的电子。因此,一旦镍59加速了,它就是一个稳定的核,将持续或多或少无限期。

如果镍59是在超新星爆炸中产生的,并迅速加速到宇宙射线能量,那么它应该以宇宙射线的形式出现。另一方面,如果它是在超新星爆炸中形成的,然后在星际介质中存在几百万年,那么它就不应该在宇宙射线中被发现。

虎虎和超级老虎都不能识别同位素,但他们正在通过CRIC仪器对ACE来衡量。像Super-Tiger一样的Super-Tiger在华盛顿大学,加州技术研究所和美国国家航空航天局美国戈达德太空飞行中心于1997年发射升空。

“我可以在大厅里向你展示镍同位素的ACE直方图,”伊斯雷尔说。

我们去看看。在镍58和镍60处有一个很好的峰,中间没有。在钴同位素柱状图中,缺失的镍59以钴59的形式出现。

“数学都是作品,”垃圾箱说。'镍59有大约76,000年的半衰期,每百万年大约大约一次ob关联的超新星,所以在加速之前,镍有充足的时间腐烂。“

什么超级老虎在跟踪

Super-TIGER

超级老虎号在南极洲发射前与电气工程师理查德·博斯合作。该仪器只有一面有光伏阵列:一个称为旋转器的装置轻轻地推动仪器,使阵列一直看着太阳。达娜·布劳恩

如果科学家非常肯定他们知道宇宙射线来自哪里,为什么斯塔尔卡目前在南极洲的斯托克乐队乐队泳台的尺寸进入极地漩涡,以捕获更多的宇宙射线?超级老虎实验是什么?

如果科学家们只能从目录中订购他们想要的数据,他们会要求周期表和所有同位素中所有天然的元素的丰富。

但是当他们进入这个领域去收集宇宙射线时,这并不是他们得到的。在它们拦截的每100条宇宙射线中,只有1条是比氦重的元素的原子核。

但大多数有关宇宙射线起源的信息已从1%中收集。所以最理想的采石场也是最难以捉摸的采石场。

尽管“超级老虎”的前身“老虎”在2001年的飞行时间达到了创纪录的31.5天,但它的探测器只被锌和锆之间约300个元素粒子击中。

也就是说,每个元素只有大约10个粒子,这让科学家们无法很好地衡量它们的相对丰度。“看看这些误差柱的大小,”宾斯指着一张数据图,懊恼地做了个鬼脸。

超级虎,比虎更大,应该抓住宇宙射线的近八倍,如果它只能熬夜。这将为科学家提供更好的“统计数据”。

“你也会注意到,”以色列说:“当我谈论超新星爆炸时加速我挥手的颗粒很多。”

虽然科学家们几乎可以肯定超新星爆炸是加速引擎,但没有人确切地知道它是如何工作的。但宾斯和伊斯雷尔认为,从宇宙射线数据中开始出现了一条线索。

这和气体和灰尘有关。太空中什么都没有,但也不是空的。有一点气体——大约一种气体原子每立方厘米——以及少量的灰尘——不是灰尘兔里的灰尘,而是像沙子或冰这样的小颗粒。

超新星爆炸的冲击波

超新星爆炸产生的冲击波被认为是将宇宙射线加速到接近光速的引擎。在这张照片中,我们看到了附近星系中的一颗超新星遗迹,红色的痕迹是一个膨胀的冲击波,蓝色的痕迹是一个冲击波,它在与运动较慢的气体碰撞后反弹并向内移动。X射线(NASA/CSC/SAO);光学(NASA/HST);无线电:(ATNF/ATCA)

数据表明,当星际介质加速时,尘埃会以某种方式跳到气体上。有人提出了一种加速机制,以区分这一点。它预测,较重的挥发物(气体)应该比较轻的挥发物具有更高的宇宙线/太阳系比率,但耐火材料(尘埃)不会表现出质量依赖性。

“然而,我们的TIGER数据表明挥发物和耐火材料的质量依赖性相似(但不完全相同),”Israel说因此,我们在Super TIGER中寻找的主要内容之一是改进最重元素的统计数据,以便我们能够确定耐火材料的质量依赖性。”

Victor Hess将理解。当他在他的气球上升到衡量宇宙的光线时,他重复了早期的实验。1919年,德国科学家Wulf主人曾在巴黎的埃菲尔铁塔顶部携带了探测器,发现辐射减少而不是随着他所升起的增加。

赫斯上升到17000英尺,比埃菲尔铁塔高出30多倍,因为他怀疑需要更好的统计数据。他是对的。

图片:NASA, ESA, & F. Paresce (INAF-IASF), R. O 'Connell(弗吉尼亚大学)和HST WFC3科学监督委员会;J-P Metsavainio (Astro Anarchy);ESA/Hubble, NASA和D. A Gouliermis;x射线(NASA / CSC /巴西);光学(NASA / HST);收音机:(ATNF /《外国人侵权索赔法案》)

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