Black Hole Jets kan sända trio av hög energi partiklar på jorden

Forskare på måndag delade en ny teori om ett av universums största mysterier, som erbjuder ett enkelt svar på en kosmisk fråga: Vad är källan till kosmiska strålar med hög energi, hög energi-neutrin och gammastrålar som reser miljontals ljusår till nå jorden?

Under årtionden har fysiker försökt lösa det kosmiska mysteriet om hur dessa tre typer av partiklar - som producerar miljontals gånger mer energi än vi någonsin skulle kunna producera på jorden - anländer till vår planet.

Förra året konstaterade forskare som använde Argentinas Pierre Auger observatorium att dessa kosmiska strålar inte kom från vår galax, utan föreslå några specifika idéer om var de härrör från.

Det kan alla förändras nu. I ett papper som publiceras måndag i tidningen Naturfysik, ett par fysiker föreslår att supermassiva svarta hålstrålar - materia som sprutas ut från ett svart hål i närheten av ljusets hastighet - födde alla tre av dessa extrema partiklar:

• Ultra-high-energy kosmiska strålar

• PeV neutrinos
• Isotropa sub-TeV-gammastrålar

En anmärkningsvärd tillfälle

Kohta Murase, en biträdande professor i fysik, astronomi och astrofysik vid Penn State University och University of Maryland postdoktorsforskare Ke Fang samarbetade för att utveckla denna nya modell, som ligger vid det anmärkningsvärda tillfället att dessa hög-energi kosmiska partiklar alla har jämförbar energi generationsnivåer.

"Vår modell visar ett sätt att förstå varför dessa tre typer av kosmiska messengerpartiklar har en överraskande lika stor mängd kraftinmatning i universum, trots att de observeras av rymdbaserade och jordbaserade detektorer över tio storleksordningar i individuell partikelenergi ", sade Murase i ett uttalande. De tre partiklarnas liknande intensiteter ledde Murase och Fang att undra om det finns ett fysiskt förhållande bland dem.

"Den nya modellen föreslår att mycket högenergi-neutrinor och hög-energi gammastrålar produceras naturligt via partikelkollisioner som dotpartiklar av kosmiska strålar och därmed kan ärva den jämförbara energibudden för sina föräldrapartiklar", säger Murase. "Det visar att de tre kosmiska budbärarnas liknande energi inte är enbart en slump."

Född av Black Hole Jets

Faktum är att inte bara Murase och Fang hävdar att det inte är en slump, de säger att dessa partiklar alla har ett gemensamt ursprung: svarta hålstrålar.

"I vår modell, rymmer kosmiska strålar som accelereras av kraftfulla strålar av aktiva galaktiska kärnor genom radiobloberna som ofta finns i slutet av djuren", säger första författaren Fang. När strålarna lämnar strålen skriver Murase och Fang, de partikelkollisioner Murase som beskrivs producerar mycket högenergi-neutrinor och hög-energi gamma-strålar.

Denna forskning är bara ett litet steg mot en bättre förståelse av den så kallade "multi-messenger" -utsläpp från svarta hål (den myriad av signaler som produceras i kosmiska händelser), men Murase och Fang hoppas att de kan kasta nytt ljus på ursprunget - och öde - av kosmisk strålning genom att belysa förhållandet mellan dessa tre partiklar.

Abstrakt: Ursprungen av ultrahigh-energi kosmiska strålar (UHECRs) är en halvtusen gammal gåta. Mystiken har fördjupats av ett spännande sammanträffande: över tio ordningsordningar i energi är energiproduktionshastigheterna för UHECR, PeV-neutrin och isotropa sub-TeV-strålar jämförbara, vilket tyder på en stor enhetlig bild. Här rapporterar vi att kraftfulla svarta hålstrålar i aggregat av galaxer kan ge det gemensamma ursprunget för alla dessa fenomen. En gång accelererad av en stråle kyles låg-energi kosmiska strålar som är begränsade i radiobloben adiabatiskt; högre energi-kosmiska strålar som lämnar källan interagerar med magnetiserad klustermiljö och producerar neutrinor och y-strålar; De högsta energipartiklarna flyr från värdklustret och bidrar till de observerade kosmiska strålarna över 100 PeV. Modellen överensstämmer med spektrum, sammansättning och isotropi hos de observerade UHECR: erna, och förklarar också iscube-neutrinerna och icke-blazarkomponenten i Fermi-y-ray-bakgrunden, med antagande av en rimlig energiproduktion från svarthålstrålar i kluster.