Kozmik ışın bulmacası çözüldü: Kara delikler 'diz' oluşumunun kaynağı...

Kozmik ışın araştırmasında devrim niteliğinde bir keşif gerçekleştirilmiştir. Büyük Yüksek İrtifa Hava Duşu Gözlemevi (LHAASO) tarafından 16 Kasım'da açıklanan kilometre taşı niteliğindeki sonuçlar, kozmik ışın enerji spektrumunda yaklaşık yedi dekattır süregelen bir gizemi çözmüştür. Spektrum, 3 PeV üzerindeki kozmik ışınlarda keskin bir düşüş göstermekte ve bu karakteristik şekil bilim insanları tarafından 'diz' olarak adlandırılmaktadır. Bu bulgu, National Science Review ve Science Bulletin'de yayınlanan iki önemli çalışmada detaylı biçimde sunulmuştur.

Kozmik ışın spektrumundaki 'diz' fenomeni ve uzun süreli gizem

Kozmik ışın enerji spektrumundaki 'diz' olarak bilinen bu anomali, ilk keşfinden bu yana bilim insanlarını meraklandırmış ve açıklanması gereken temel bir soru olarak kalmıştır. Araştırmacılar, bu fenomenin kozmik ışınların astrofiziksel kaynakları için hızlandırma sınırı ile ilişkili olabileceğini ve kozmik ışın enerji spektrumunun bir güç yasası dağılımından diğerine geçişini yansıttığını uzun yıllar boyunca tahmin etmişlerdir. Ancak bu hipotezler, gözlemsel verilerle tam olarak desteklenememişti. Kozmik ışın enerji spektrumunun bu karmaşık yapısı, evrenin yüksek-enerji fiziksel süreçlerini anlamak için kritik bir anahtardır. Spektrumdaki bu keskin geçiş noktası, farklı kaynakların ve hızlandırma mekanizmalarının varlığını işaret etmektedir. Bilim insanları, bu gizemi çözmek için yıllarca çalışmış, ancak kesin bir cevap bulamamışlardır.

Mikro-kuasarlar: Kara delik sistemleri kozmik hızlandırıcı olarak tanımlandı

Yeni araştırmalar, evrenin en gizemli nesnelerinden biri olan kara delikler ile kozmik ışın oluşumu arasında doğrudan bir bağlantı olduğunu göstermektedir. İkili sistemlerde yoldaş yıldızlardan madde akkrediyor olan kara delikler, göreceli jetler oluştururlar ve bu yapılar 'mikro-kuasarlar' olarak bilinir. Bu çalışmada, LHAASO ilk kez beş mikro-kuasardan ultra-yüksek-enerji gama ışınlarını sistematik olarak tespit etmiştir: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 ve Cygnus X-1. Bu keşif, kozmik ışın araştırmasında yeni bir dönemin başlangıcını işaret etmektedir.

Özellikle SS 433 sisteminden gelen ultra-yüksek-enerji radyasyonunun dev bir atom bulutu ile örtüştüğü bulunmuş, bu da yüksek-enerji protonların kara delik tarafından hızlandırıldığını ve çevre madde ile çarpıştığını güçlü bir şekilde göstermektedir. Bu sistemdeki proton enerjisi 1 PeV'i aşmış, toplam güç çıkışı saniyede yaklaşık 10³² joule olmuştur; bu, dört trilyon en güçlü hidrojen bombasının saniyede açığa çıkardığı enerjiye eşdeğerdir. Bu inanılmaz enerji çıkışı, kara delik sistemlerinin ne kadar güçlü hızlandırıcılar olduğunu göstermektedir.

V4641 Sgr'den gelen gama ışını enerjisinin 0,8 PeV'e ulaştığı bulunmuş, bu da onu başka bir 'süper PeV parçacık hızlandırıcısı' yapmıştır; bu gama ışınları üreten ana parçacıklar 10 PeV'i aşan enerjilere sahip olmuştur. Bu sonuçlar, mikro-kuasarların Samanyolu'nda önemli PeV parçacık hızlandırıcıları olduğunu kanıtlamakta, bilimde uzun süredir devam eden bir sorunu ele almaktadır. Supernova kalıntıları tarihsel olarak kozmik ışın kaynakları olarak tanınmış olsa da, hem gözlemsel hem de teorik çalışmalar, bunların kozmik ışınları 'diz'in enerjilerine ve ötesine hızlandıramayacağını göstermiştir.

Kozmik ışın spektrumlarının ölçülmesindeki teknik zorluklar ve çözümler

Bu olayı tam olarak anlamak için, protonlar da dahil olmak üzere çeşitli kozmik ışın türlerinin enerji spektrumlarının ve bunların ilgili 'dizlerinin' kesin ölçümleri gereklidir. İlk adım, en hafif çekirdek olan protonların enerji spektrumunu ölçmektir. Ancak 'diz' bölgesindeki kozmik ışınlar son derece nadirdir ve uydu dedektörleri sınırlı kabul kapasitesine sahiptir, bu da tespiti bir samanlıkta iğne bulmaya benzetmektedir. Araştırmacılar, bu zorluk nedeniyle uzun yıllar boyunca bu ölçümü imkansız olarak görmüşlerdir.

Kozmik ışın parçacıklarının yer tabanlı dolaylı ölçümlerinde, atmosferik paraziti kaçınmak imkansızdır. Bu durum, protonları diğer çekirdeklerden ayırt etmeyi önemli ölçüde zorlaştırmaktadır. Uzun bir süre boyunca, bu ölçüm imkansız olarak kabul edilmiştir ve bilim insanları bu engeli aşmanın yollarını aramışlardır. Ancak LHAASO'nun yeni teknolojik yaklaşımı bu durumu değiştirmiştir.