Astronomie

Können wir kosmische Strahlung manipulieren?

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Ist es möglich, Daten mit kosmischer Strahlung zu senden?

Wie das Senden von kosmischer Strahlung mit hoher und niedriger Energie, da sie weiter reisen können. Und diese Daten können in eine binäre Form umgewandelt werden, die von Computern verarbeitet werden kann.

Ich bin kein Astronom oder habe irgendetwas mit Astronomie studiert, ich habe mir nur vorgestellt, ob das möglich ist.


Der größte Teil der Kommunikation auf der Erde und im Weltraum findet über das niederfrequente sichtbare, infrarote, Mikro- und Radiowellenspektrum des elektromagnetischen Spektrums statt.

Die unmittelbaren Vorteile der Verwendung eines niederfrequenten EM-Spektrums sind meiner Meinung nach wie folgt:

  1. Sie werden nicht durch die Erdatmosphäre und das Magnetfeld blockiert. Auf der anderen Seite trägt die kosmische Strahlung, die hauptsächlich aus hochenergetischen Elektronen, Protonen und ß-Teilchen besteht, elektrische Ladung und magnetische Felder. Daher werden sie vom Erdmagnetfeld stark beeinflusst. Vielleicht hilft das Aufstellen von Empfängern und Sendern an Masten ein wenig.

2.Geschwindigkeit: EM-Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, kosmische Strahlen breiten sich immer mit geringerer Geschwindigkeit aus, was mich zum nächsten Punkt bringt.

  1. Energiebedarf: Die zur Erzeugung von Funkwellen erforderliche Energie kann durch Solarmodule mit geringer Leistung bereitgestellt werden. Um kosmische Strahlung zu erzeugen, bräuchte man jedoch einen Teilchenbeschleuniger. So etwas wie ein tragbarer LHC, den ich nicht für machbar halte. Wenn Sie schnellere kosmische Strahlung erzeugen möchten, müssen Sie außerdem mehr Energie einsetzen.

Ich kann im Moment nur an diese Einschränkungen denken. Ich weiß nicht, ob das Senden von Informationen über kosmische Strahlung Vorteile bringt.


20.4 Kosmische Strahlen

Neben Gas und Staub findet sich im interstellaren Raum eine dritte Klasse von Teilchen, die sich durch ihre hohen Geschwindigkeiten auszeichnet. Kosmische Strahlung wurde 1911 von dem österreichischen Physiker Victor Hess entdeckt, der einfache Instrumente an Bord von Ballons flog und zeigte, dass Hochgeschwindigkeitsteilchen aus dem Weltraum auf die Erde gelangen (Abbildung 20.17). Der Begriff „kosmische Strahlung“ ist irreführend und impliziert, dass er wie ein Lichtstrahl sein könnte, aber wir bleiben beim Namen. Sie sind definitiv Teilchen und haben fast die gleiche Zusammensetzung wie gewöhnliches interstellares Gas. Ihr Verhalten unterscheidet sich jedoch radikal von dem bisher besprochenen Gas.

Die Natur der kosmischen Strahlung

Kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus Atomkernen und Elektronen mit hoher Geschwindigkeit. Geschwindigkeiten von 90 % der Lichtgeschwindigkeit sind typisch. Fast 90% der kosmischen Strahlung sind Wasserstoffkerne (Protonen), denen ihr begleitendes Elektron entzogen ist. Helium und schwerere Kerne machen etwa 9% mehr aus. Ungefähr 1% der kosmischen Strahlung hat Massen, die der Masse des Elektrons entsprechen, und 10–20% davon tragen eher eine positive Ladung als die negative Ladung, die für Elektronen charakteristisch ist. Ein positiv geladenes Teilchen mit der Masse eines Elektrons heißt a Positron und ist eine Form von Antimaterie (Wir haben Antimaterie in The Sun: A Nuclear Powerhouse diskutiert).

Die Häufigkeiten verschiedener Atomkerne in der kosmischen Strahlung spiegeln die Häufigkeiten in Sternen und interstellarem Gas wider, mit einer wichtigen Ausnahme. Die leichten Elemente Lithium, Beryllium und Bor sind in der kosmischen Strahlung weitaus häufiger vorhanden als in Sonne und Sternen. Diese leichten Elemente entstehen, wenn kosmische Hochgeschwindigkeitskerne aus Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff mit Protonen im interstellaren Raum kollidieren und auseinanderbrechen. (Übrigens, wenn Sie, wie die meisten Leser, nicht alle Elemente auswendig gelernt haben und sehen möchten, wie eines der von uns erwähnten Elemente in die Reihenfolge der Elemente passt, finden Sie sie alle in Anhang K in der Reihenfolge der Anzahl der Elemente aufgelistet enthaltene Protonen.)

Kosmische Strahlung erreicht die Erde in beträchtlicher Zahl, und wir können ihre Eigenschaften bestimmen, indem wir sie entweder direkt einfangen oder die Reaktionen beobachten, die ablaufen, wenn sie mit Atomen in unserer Atmosphäre kollidieren. Die Gesamtenergie, die durch kosmische Strahlung in der Erdatmosphäre deponiert wird, beträgt nur etwa ein Milliardstel der von der Sonne aufgenommenen Energie, aber sie ist vergleichbar mit der Energie, die in Form von Sternenlicht aufgenommen wird. Einige der kosmischen Strahlen kommen von der Sonnenoberfläche auf die Erde, aber die meisten kommen von außerhalb des Sonnensystems.

Woher kommen sie?

Es gibt ein ernstes Problem bei der Identifizierung der Quelle der kosmischen Strahlung. Da sich Licht in geraden Linien ausbreitet, können wir durch einfaches Hinsehen erkennen, woher es kommt. Kosmische Strahlung sind geladene Teilchen, deren Bewegungsrichtung durch Magnetfelder verändert werden kann. Die Bahnen der kosmischen Strahlung werden sowohl durch Magnetfelder im interstellaren Raum als auch durch das erdeigene Feld gekrümmt. Berechnungen zeigen, dass kosmische Strahlung mit niedriger Energie viele Male um die Erde kreisen kann, bevor sie in die Atmosphäre eindringt, wo wir sie entdecken können. Wenn ein Flugzeug vor der Landung viele Male einen Flughafen umkreist, ist es für einen Beobachter schwierig, die Richtung zu bestimmen, aus der es stammt. Auch nachdem ein kosmischer Strahl die Erde mehrmals umkreist hat, ist es unmöglich zu wissen, wo seine Reise begann.

Es gibt jedoch einige Hinweise darauf, wo kosmische Strahlung erzeugt werden könnte. Wir wissen zum Beispiel, dass Magnetfelder im interstellaren Raum stark genug sind, um alle außer den energiereichsten kosmischen Strahlen davon abzuhalten, der Galaxie zu entkommen. Es scheint daher wahrscheinlich, dass sie irgendwo innerhalb der Galaxie produziert werden. Die einzigen wahrscheinlichen Ausnahmen sind diejenigen mit der höchsten Energie. Solche kosmischen Strahlen bewegen sich so schnell, dass sie von interstellaren Magnetfeldern nicht wesentlich beeinflusst werden und daher unserer Galaxie entkommen könnten. Analog dazu könnten sie auch anderen Galaxien entkommen, sodass einige der kosmischen Strahlen mit der höchsten Energie, die wir entdecken, möglicherweise in einer entfernten Galaxie entstanden sind. Dennoch müssen die meisten kosmischen Strahlen ihre Quelle innerhalb der Milchstraße haben.

Wir können auch abschätzen, wie weit die typische kosmische Strahlung wandert, bevor sie die Erde trifft. Den Schlüssel dazu haben die leichten Elemente Lithium, Beryllium und Bor. Da diese Elemente gebildet werden, wenn Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff auf interstellare Protonen treffen, können wir berechnen, wie lange die kosmische Strahlung im Durchschnitt durch den Weltraum reisen muss, um genügend Kollisionen zu erleben, um die Menge an Lithium und den anderen leichten Elementen zu erklären, die Sie beinhalten. Es stellt sich heraus, dass die erforderliche Entfernung etwa das 30-fache um die Galaxie beträgt. Bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit braucht die durchschnittliche kosmische Strahlung etwa 3–10 Millionen Jahre, um diese Strecke zurückzulegen. Dies ist nur ein kleiner Bruchteil des Alters der Galaxie oder des Universums, daher muss kosmische Strahlung auf einer kosmischen Zeitskala vor relativ kurzer Zeit entstanden sein.

Die besten Kandidaten für eine Quelle kosmischer Strahlung sind die Supernova-Explosionen, die den gewaltsamen Tod einiger Sterne markieren (und die wir in The Death of Stars diskutieren werden). Das durch die Explosion ausgestoßene Material erzeugt eine Stoßwelle, die sich durch das interstellare Medium ausbreitet. Geladene Teilchen können gefangen werden und viele Male über die Vorderseite der Stoßwelle hin und her springen. Mit jedem Durchgang durch den Schock beschleunigen die Magnetfelder im Inneren die Partikel immer mehr. Schließlich bewegen sie sich fast mit Lichtgeschwindigkeit und können dem Schock entkommen, um zu kosmischer Strahlung zu werden. Einige kollabierte Sterne (einschließlich Sternreste, die von Supernova-Explosionen übrig geblieben sind) können unter den richtigen Umständen auch als Teilchenbeschleuniger dienen. Auf jeden Fall finden wir wieder, dass der Rohstoff der Galaxie durch den Lebenszyklus von Sternen bereichert wird. Im nächsten Abschnitt werden wir uns diesen Anreicherungsprozess genauer ansehen.

Link zum Lernen

Sie können sich ein kurzes Video über die Mission Calorimetric Electron Telescope (CALET), einen Detektor für kosmische Strahlung an der Internationalen Raumstation ISS, ansehen. Der Link führt Sie zu NASA Johnsons „Space Station Live: Cosmic Ray Detector for ISS“.


Entfernung aus Kalibrierungsbildern

Der einfachste Weg, kosmische Strahlen aus Kalibrierungsbildern (Bias, dunkle und flache Bilder) zu entfernen, besteht darin, sie richtig zu kombinieren. Kosmische Strahlen sind ihrer Natur nach zufällige Ereignisse, die verschiedene Teile jedes der Kalibrierungsbilder beeinflussen. Ein Pixel, das beispielsweise in einem der dunklen Bilder von einer kosmischen Strahlung beeinflusst wird, wird es mit ziemlicher Sicherheit tun nicht von einer kosmischen Strahlung in einem der anderen dunklen Bilder beeinflusst werden.

Durch die Kombination dieser Bilder durch Mittelwertbildung (um das Rauschen so weit wie möglich zu reduzieren) und Sigma-Clipping (um extreme Pixel in einzelnen Bildern wie dem mit kosmischer Strahlung auszuschließen) wird die kosmische Strahlung aus dem kombinierten dunklen Bild entfernt. Eine Alternative wäre, die Bilder mit einem Median zu kombinieren. Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Optionen finden Sie im Abschnitt zur Bildkombination.

Das unten beschriebene Verfahren zum Entfernen von kosmischer Strahlung aus wissenschaftlichen Bildern funktioniert nicht gut, um sie aus Kalibrierungsbildern zu entfernen, und ist unnötig, da sie durch geeignetes Kombinieren der Bilder entfernt werden können.


Ein Iced Cosmic-Ray Macchiato

Anmerkung des Herausgebers: Astrobites ist eine von Studenten geführte Organisation, die astrophysikalische Literatur für Studenten verdaut. Als Teil der Partnerschaft zwischen der AAS und Astrobites veröffentlichen wir gelegentlich Astrobites-Inhalte hier bei AAS Nova. Wir hoffen, dass Ihnen dieser Beitrag von astrobites gefällt. Das Original kann auf astrobites.org eingesehen werden.

Titel: Bottom-up-Beschleunigung ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlen in den Jets aktiver galaktischer Kerne
Autoren: Rostom Mbarek und Damiano Caprioli
Institution des Erstautors: Universität von Chicago
Status: Veröffentlicht in ApJ

Unser Universum ist übersät mit Teilchen von unglaublich hoher Energie, genannt kosmische Strahlung. Die extremsten dieser Partikel tragen die gleiche Energiemenge wie ein professioneller Tennisaufschlag, wie das vor fast 30 Jahren entdeckte Oh-My-God-Partikel. Der Haken: Wir wissen nicht genau, welche Prozesse so viel Energie in ein einzelnes Teilchen packen können. Die Autoren des heutigen Artikels diskutieren, wie diese Teilchen ihre Energie analog zu Ihrem morgendlichen Ausflug nach Dunkin’™ gewinnen könnten.

Kosmische Strahlen auf einen Blick

Kosmische Strahlung sind Atomkerne, die in astrophysikalischen Umgebungen auf hohe Energien beschleunigt wurden, wie etwa Supernova-Überreste oder aktive galaktische Kerne. Obwohl sie wie ein großartiges Werkzeug in der Multi-Messenger-Astronomie-Toolbox erscheinen mögen, ist Astronomie mit kosmischer Strahlung keine einfache Aufgabe, da diese Teilchen durch extragalaktische Magnetfelder abgelenkt werden.

Kosmische Strahlung (rot) besteht aus einzelnen Protonen und Kernen schwererer Elemente. Sie werden auf ihrer kosmologischen Odyssee von Magnetfeldern abgelenkt und können nicht genutzt werden, um auf ihren Entstehungsort zurückzuzeigen. [IceCube Neutrino-Observatorium]

Auch wenn wir nicht messen können, woher sie kommen, kennen wir ihre Energien, und eine Vielzahl von kosmischen Strahlenexperimenten weist jedes Jahr Millionen dieser Teilchen nach. Viele von ihnen sind tausend- bis millionenfach energiereicher als die Teilchen im größten terrestrischen Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider, aber wir wissen es nicht Wie die kosmische Strahlung mit der höchsten Energie erhält ihre Energie.

Cosmic-Ray-Beschleunigung: Alte Nachrichten

Viele Theorien zur Beschleunigung der kosmischen Strahlung drehen sich um die Idee der Fermi-Beschleunigung. In diesem Szenario können Objekte wie Supernova-Überreste Schocks erzeugen, die aus Material bestehen, das sich zusammen mit Überschallgeschwindigkeit bewegt, und diese Schocks können Teilchen auf hohe Energien beschleunigen. Wenn sich eine Stoßwelle ausbreitet, prallen Partikel über die Stoßgrenze hin und her. Im Laufe der Zeit führen aufeinanderfolgende Sprünge über die Stoßfront zu einer Nettoübertragung von Energie auf die Teilchen.

Während die Fermi-Beschleunigung die kosmische Strahlung mit moderaten Energien gut erklärt und seit Jahrzehnten ein fester Bestandteil von Modellen ist, hat sie einige Fallstricke, und viele argumentieren, dass sie nicht die ganze Geschichte für die Beschleunigung der kosmischen Strahlung auf höchstem Niveau liefern kann Energien.

Ein kosmischer Pokal von Joe

Die Autoren des heutigen Artikels schlagen eine neue Betrachtungsweise der Beschleunigung der kosmischen Strahlung vor: die Espresso Mechanismus. Warum Espresso? Denn anstatt im Laufe der Zeit allmählich Energie zu gewinnen, gewinnen Teilchen ihre Energie aus einem einzigen Schuss.

Beim „Espresso-Mechanismus“ gewinnen Teilchen enorme Energiemengen, wenn sie für kurze Zeit in einen Jet eintreten. Hier ist ein Teilchen mit Anfangsimpuls und Energie pich, Eich tritt in einen Jet mit charakteristischem Lorentzfaktor Γ ein und verlässt den Jet mit einer Energie von ungefähr Γ 2 Eich. [Caprioliet al. 2018]

Stellen Sie sich ein Objekt mit einem Jet vor, beispielsweise eine aktive Galaxie. Wenn eine niederenergetische kosmische Strahlung in den Jet eintritt (oder Dampf), dann kann es in den Lauf des Jets geschossen werden und mit viel höherer Energie herausgeschleudert werden. In vielen Fällen können die Teilchenenergien um einen Faktor Γ 2 ansteigen, wobei the der Lorentz-Faktor ist (dies spiegelt wider, wie schnell sich der Jet bewegt). Für einige Jets bedeutet dies, dass Partikel fast 1.000-mal so energiereich austreten können wie beim Eintritt in den Jet.

In realistisch modellierten Jets neigt das Material in einigen Regionen zum Klumpen, und diese Regionen mit Überdichte (Farbskala in der Abbildung) bewirken, dass sich der Jet lokal schneller oder langsamer bewegt. [Mbarek & Caprioli 2019]

Hier kommen die Autoren des heutigen Papiers ins Spiel. Diese Autoren nehmen eine einfache Behandlung des Espresso-Mechanismus und komplexieren ihn, indem sie eine vollständige magnetohydrodynamische (MHD) Simulation ultrarelativistischer Jets durchführen. Dabei werden Faktoren wie kleinräumige Fluktuationen der Strahlgeschwindigkeit und Strahldichte berücksichtigt, um ein genaueres Bild der Dynamik von Jets zu erhalten.

Durch die Simulation der vollständigen Struktur von Düsen stellen die Autoren fest, dass komplexe Umgebungen die Versprechen der Espresso-Beschleunigung nicht schwächen. Tatsächlich können die Unvollkommenheiten, die sich in realistischen Jets manifestieren, Hilfe mit Teilchenbeschleunigung. Darüber hinaus ermöglichen Jet-Störungen, dass Teilchen doppelte oder sogar dreifache Energiestöße erhalten.

In der gesamten Arbeit beschreiben die Autoren die entstehenden Spektren von Espresso-beschleunigter kosmischer Strahlung. Dabei stellen sie fest, dass die Espresso-Beschleunigung in Bezug auf Energie, chemische Zusammensetzung und räumliche Verteilung mit aktuellen Messungen ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung übereinstimmt, eine Leistung, die kein anderes Modell der kosmischen Strahlung vorweisen kann.

Die Trajektorien der Probenpartikel (schwarze Kurven) werden über den Scheiben des Strahls überlagert, wobei die Strahlgeschwindigkeit durch die Farbe in den oberen Feldern dargestellt wird. Die unteren Felder zeigen die Energiemenge, die entlang der Partikelpfade gewonnen wird, was zeigt, dass Partikel Jets mit viel mehr Energie verlassen können, als sie eingetreten sind. [Mbarek & Caprioli 2019]

Über den Autor Alex Pizzuto:

Alex ist Doktorand am Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center an der University of Wisconsin-Madison. Seine Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von Methoden, um die extremsten kosmischen Beschleuniger des Universums zu lokalisieren, indem er nach den Neutrinos sucht, die von ihnen stammen. Alex interessiert sich auch leidenschaftlich für lokale wissenschaftliche Veranstaltungen in Madison und wandert, kocht und spielt Musik, wenn er nicht gerade seinen Code debuggt.


3 Gamma-Strahlen: Dutzende von GeV bis Dutzende von TeV

Es gibt alternative Möglichkeiten, nach den Quellen der kosmischen Strahlung zu suchen. Wir gehen in der Tat davon aus, dass sekundäre Photonen und Neutrinos mit der höchsten Energie der kosmischen Strahlung assoziiert sind, wie dies bei den zuvor diskutierten kosmologischen Überresten der Fall war. Diese weisen auf die Quellen hin! Der Cartoon in Abb. 7 veranschaulicht, warum kosmische Beschleuniger auch kosmische Strahlabladestellen sind, die sekundäre Photonen- und Neutrinostrahlen erzeugen. Die Beschleunigung von Teilchen auf TeV-Energie und darüber erfordert relativistische, massive Massenströme geladener Teilchen. Diese stammen wahrscheinlich von den außergewöhnlichen Gravitationskräften, die mit Schwarzen Löchern oder Neutronensternen verbunden sind. Beschleunigte Teilchen passieren daher intensive Strahlungsfelder oder dichte Gaswolken, die das Schwarze Loch umgeben, was zur Bildung sekundärer Pionen führt. Diese zerfallen anschließend in Photonen und Neutrinos, die den primären kosmischen Strahl begleiten. Beispiele für Ziele für die Pionenproduktion sind die externen Photonenwolken, die das zentrale Schwarze Loch aktiver Galaxien umgeben, und die Materie, die in den kollabierten Kern eines sterbenden supermassiven Sterns fällt und einen Gammastrahlenausbruch erzeugt. Auch außerhalb der Quellen erzeugen hochenergetische Teilchen sekundäre Photonen und Neutrinos bei Wechselwirkungen mit Molekülwolken in der Nähe des Beschleunigers, wie bereits erwähnt, und bei Kollisionen mit Mikrowellenphotonen. In allen Beispielen ist das Zielmaterial, sei es ein Partikel- oder Photonengas, wahrscheinlich ausreichend schwach, damit der primäre Protonenstrahl und der sekundäre Photonenstrahl nur teilweise geschwächt werden. Möglich sind aber auch verhüllte Quellen, aus denen nur Neutrinos austreten können, wie es bei terrestrischen Beam Dumps am CERN und Fermilab der Fall ist.

Abbildung 7: Diagramm des kosmischen Beschleunigers und des Beam Dumps. Siehe Text zur Diskussion.

Die bodengestützte Gammastrahlen-Astronomie ist zu einer ausgereiften Wissenschaft geworden. [27] Ein großer Spiegel, der von einer Reihe von Photomultipliern betrachtet wird, sammelt das von Schauerteilchen in der hohen Atmosphäre emittierte Cerenkov-Licht und bildet die Schauer ab, um die Ankunftsrichtung sowie die Natur des Primärteilchens zu bestimmen. Der große Vorteil ist, dass ein relativ bescheidenes Teleskop auf einer Fläche von 40.000 m 2 in einer Höhe von etwa 10 km Schauer beprobt. Diese Experimente haben ein neues Fenster in der Astronomie geöffnet, indem sie isolierte Quellen mit einem Photonenspektrum von 20 TeV gefunden haben, möglicherweise darüber hinaus.

Beobachtungen haben die TeV-Emission von galaktischen Supernova-Überresten und nahegelegenen Quasaren gezeigt, von denen einige den größten Teil ihrer Energie in spektakulären Ausbrüchen von TeV-Photonen emittieren [28] . Es wurde beobachtet, dass der Blazar Markarian 421 bei einer Rotverschiebung von z = 0,031 auf einen TeV-Fluss aufflammt, der die Emission der Krabbe, der stärksten galaktischen TeV-Quelle, um mehr als eine Größenordnung übersteigt. Einige Fackeln dauern nur 15 Minuten. Obwohl die korrelierte Emission in Röntgenstrahlen und TeV-Gammastrahlen Synchrotronstrahlung durch stoßbeschleunigte Elektronen gefolgt von inverser Compton-Streuung stark begünstigt, erfordert das extreme Verhalten der Quellen Boost-Faktoren in der Größenordnung von 30, um die Beobachtungen zu berücksichtigen.

Aber es gibt auch den Hund, der nicht bellt. Es gibt keine schlüssigen Beweise für einen π 0 -Ursprung der TeV-Strahlung und daher wurden keine kosmischen Strahlenquellen identifiziert. Wie bereits erwähnt, könnten jüngste Beobachtungen ungewöhnlicher Gammastrahlenemission durch Molekülwolken den ersten indirekten Beweis für beschleunigte Strahlen erbracht haben.

Seit einiger Zeit ist bekannt, dass der TeV-Himmel durch Infrarotlicht verdeckt wird [29] . Die Spitzenabsorption eines Photons der Energie E γ durch die Reaktion γ ( E γ ) + γ b k g → e + + e − erfolgt durch Hintergrundphotonen der Wellenlänge

Hier entspricht die Wellenlänge dem Peak im Paarproduktionsquerschnitt. TeV-Photonen werden von infrarotem Hintergrundlicht absorbiert, das von Sternen und Staub emittiert wird. Der Staub absorbiert sichtbares und UV-Licht, das bei infraroten Wellenlängen wieder emittiert wird. Die beiden Quellen zeigen sich als separate Peaks im universellen Hintergrund in der Nähe von 1 µm bzw. 100 µm. Obwohl sehr interessant [30] , ist dieser Hintergrund noch wenig verstanden und die Kartierung von diffusem Infrarotlicht bietet der TeV-Astronomie eine große Chance. Die Durchführung solcher Messungen ist nicht einfach, da man unterscheiden muss, ob der beobachtete spektrale Cutoff bei mehreren zehn TeV, beispielsweise in den Spektren der Markarian 501- und 421-Quellen, die maximale Energie des Beschleunigers oder die Absorption im intergalaktischen Raum widerspiegelt. Unter Berücksichtigung des herkömmlichen Synchrotron/inversen Compton-Modells des Flusses wurde die Tatsache, dass beide Quellen einen qualitativ ähnlichen TeV-Grenzwert und sehr unterschiedliche Röntgenspektren aufweisen, als Beweis für die Absorption auf infrarotem Hintergrundlicht interpretiert.

Kürzlich haben sowohl HEGRA [31] als auch Whipple [32] einen weiter entfernten Blazar H1426+428 bei einer Rotverschiebung von z = 0,129 entdeckt, der mit ≃ 0,03 für beide Markarian-Quellen verglichen werden kann. Das HEGRA-Spektrum deutet auf Absorption bei Infrarotlicht hin: Die Einbeziehung der Absorption verbessert um einen Faktor 4 das χ 2 pro Freiheitsgrad einer Potenzgesetzanpassung, die an das beobachtete Spektrum angepasst ist, siehe Abb. 8a. Die Daten können sogar auf ein Merkmal hinweisen, das den getrennten Beiträgen von Sternen und Staub zum Hintergrundspektrum entspricht, siehe Abb. 8b. Diese Interpretation erfordert einen TeV-Fluss an der Quelle, der eine Größenordnung größer ist als der beobachtete, eine mögliche Herausforderung für die konventionelle Interpretation in Bezug auf inverse Compton-Streuung. Eines Tages könnte man erwägen, die Raumzeit abzubilden, indem man Quellen über einen Bereich von Rotverschiebungen beobachtet [33] .

Abbildung 8a: HEGRA-Beobachtungen von TeV-Photonen aus der aktiven Galaxie H1426+428. Anpassungen unter der Annahme, dass der anfängliche Fluss teilweise vom universellen Hintergrund des Infrarotlichts (durchgezogene und gestrichelte Linie) absorbiert wurde, werden mit einer Potenzgesetzanpassung an die Daten verglichen. Abbildung 8b: Die untere Abbildung zeigt die Verzerrung des beobachteten Spektrums von TeV-Photonen, das aus der Absorption von Infrarotlicht eines von einer Quelle mit Rotverschiebungen von 0,034 bzw. 0,129 erzeugten Potenzgesetzspektrums resultiert. Die Absorption wurde für zwei Anpassungen an das universelle Spektrum von Infrarotphotonen bewertet. Diese werden mit den Daten im oberen Feld verglichen.

Das Gebiet der Gammastrahlen-Astronomie ist eindeutig vielversprechend und pulsiert vor Aktivität. Weltraumgestützte Detektoren erweitern ihre Reichweite von GeV- auf TeV-Energie mit AMS und insbesondere GLAST [28] , während die bodengestützten Cerenkov-Kollaborationen Instrumente der zweiten Generation mit niedrigeren Schwellenwerten entwickeln. In nicht allzu ferner Zukunft sollten beide Techniken überlappende Messungen im Energiebereich von 10 ∼ 10 2 GeV liefern. Alle bodengestützten Luft-Cerenkov-Experimente zielen auf eine niedrigere Schwelle, eine bessere Winkel- und Energieauflösung und einen längeren Arbeitszyklus. Man kann jedoch drei Wege identifizieren, um diese Ziele zu erreichen:

größere Spiegelfläche unter Ausnutzung der parasitären Nutzung von Sonnenkollektoren während der Nacht (CELESTE, STACEY und SOLAR Two), [34]

bessere Abbildung des Cerenkov-Fußabdrucks auf den 17 m MAGIC-Spiegel, [35]

größeres Sichtfeld und überlegene Winkelauflösung und größerer Erfassungsbereich bei Verwendung mehrerer Teleskope (VERITAS, HEGRA und HESS).

In diesem Rennen gibt es ein dunkles Pferd: Milagro. [36] Das Instrument wurde entwickelt, um den Schwellenwert konventioneller Luftduschen auf 100 GeV zu senken, indem ein Teich mit 5 Millionen Gallonen ultrareinem Wasser mit Photomultipliern instrumentiert wird. Bei zeitveränderlichen Signalen, wie beispielsweise Bursts, kann der Schwellenwert niedriger sein. Milagro hat die Krabben und Markarian 421 beobachtet und baut derzeit Auslegerdetektoren und implementiert intelligentere Auslöser, um die Schwelle weiter zu senken.


Kosmische Strahlen Hinweis auf Hotspot

Von: Camille M. Carlisle 15. Juli 2014 2

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Eine Ansammlung von Detektionen am Himmel der nördlichen Hemisphäre könnte auf eine Quelle für die energiereichsten Partikel hinweisen, die die Erdatmosphäre bombardieren.

Astronomen haben Hinweise auf einen Hotspot der kosmischen Strahlung am Himmel der Nordhalbkugel gefunden. Kosmische Strahlung sind geladene Teilchen (meist Protonen), die aus dem Weltraum auf die Erde regnen. Sie erreichen Energien weit über denen von künstlichen Teilchenbeschleunigern, wie dem Large Hadron Collider, der Protonen mit Billionen (10 12 ) Elektronenvolt zusammenschleudert.

Die Illustration dieses Künstlers zeigt eine fantasievolle Darstellung des Teilchenregens, der entsteht, wenn ein energetisches Teilchen namens kosmischer Strahl auf die obere Erdatmosphäre trifft.
J. Yang / NSF

Kosmische Strahlung, die Energien von weniger als 10 15 Elektronenvolt trägt, kommt aus dem Inneren der Milchstraße, wahrscheinlich aus ihren Regionen mit zügelloser Sternengeburt und -tod. Diejenigen mit noch höheren Energien (bis zu etwa 60 Exaelektronenvolt oder EeV – das sind 10 18 ) kommen von außerhalb unserer Galaxie. Teilchen über 60 EeV erreichen die Erde im Allgemeinen nicht, wahrscheinlich weil sie während ihrer Reise durch die Weiten des intergalaktischen Raums mit anderen Dingen interagieren und es nie zu uns schaffen.

Es ist schwer zu sagen, woher die meisten kosmischen Strahlen kommen, da Magnetfelder in unserer Galaxie und außerhalb geladene Teilchen defektieren und ihre ursprünglichen Einfallswinkel maskieren. Nur kosmische Strahlen mit der höchsten Energie können durch den magnetischen Hindernisparcours schießen, ohne den Orientierungssinn zu verlieren.

Eine Studie aus dem Jahr 2007 über die einfallenden Richtungen der kosmischen Strahlung mit der höchsten Energie deutete auf eine schwache Korrelation mit den Standorten lokaler aktiver galaktischer Kerne (AGN) hin, den lodernden Leuchtfeuern, die von unersättlichen supermassiven Schwarzen Löchern erzeugt werden, wenn sie Gas in galaktischen Kernen verschlingen. Und 2010 entdeckte dasselbe Team in Zusammenarbeit mit dem Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien einen „warmen Fleck“ in Richtung der aktiven Galaxie Centaurus A am Himmel der südlichen Hemisphäre.

Jetzt hat ein separates Team einen potenziellen Hotspot am Himmel der nördlichen Hemisphäre entdeckt. Die Region ist zentriert bei Rektaszension 9 h 46,8 m , Deklination 43,2°, zwischen den Beinen von Ursa Major.

Einen kosmischen Strahlencluster finden

Die amerikanisch-japanische Zusammenarbeit nutzte das Telescope Array, ein Netzwerk von mehr als 500 Szintillationsdetektoren in Ping-Pong-Tischgröße in Utah. Die Detektoren zeichnen Aufschläge von geladenen Sekundärteilchen auf, die beim Auftreffen der kosmischen Strahlung auf die Erdatmosphäre entstehen. Diese Nebenprodukte regnen in sogenannten Luftschauern nieder, und Forscher nutzen Unterschiede in den Ankunftszeiten der Teilchen, um die Einfallsrichtung der ursprünglichen kosmischen Strahlung zurückzurechnen und zu bestimmen.

Eine internationale Kollaboration hat einen Haufen kosmischer Strahlenquellen am Himmel der nördlichen Hemisphäre entdeckt. Die obere Karte zeigt die Standorte der einzelnen Partikelquellen. Unten ist eine Farbkonturkarte, die die Anzahl der beobachteten Ereignisse über einen 40 Grad breiten Kreis summiert zeigt, wobei Rot die Region mit der größten Anzahl beobachteter Ereignisse zeigt.
Zusammenarbeit mit Teleskoparrays

Über fünf Jahre sammelte das Telescope Array-Team 72 Ereignisse, die mehrere Erkennungs- und Einfallswinkelkriterien erfüllten und auch von kosmischer Strahlung mit Energien von mindestens 57 EeV stammten. Als die Daten eingingen, sahen die Forscher einen Cluster in Richtung Ursa Major wachsen. Sobald sie also genügend Daten hatten, nahmen sie einen Kreis mit einer Breite von 40° und setzten ihn auf ihre Himmelskarte, dann verschoben sie ihn in Schritten von 1/10°. Bei jeder Iteration zählten sie die Anzahl der Ereignisse innerhalb des Kreisumfangs.

Mit dieser Methode stellten sie fest, dass sie die höchste Anzahl von Ereignissen (19) zählten, wenn der Kreis an den Koordinaten zwischen den Beinen des Großen Bären zentriert war.

Teammitglied Gordon Thomson (University of Utah) erklärt, dass sowohl frühere Forschungen als auch die bloße Betrachtung der Daten darauf hindeuteten, dass 40° die richtige Größe war, um diese Konzentration herauszuarbeiten. Aber weil die Astronomen den Kreis nicht vergrößert oder verkleinert haben und nach einem Abfall bei einem bestimmten Radius gesucht haben, weiß das Team nicht genau, wie groß der Haufen ist.

Pierre Auger-Co-Sprecher Karl-Heinz Kampert (Bergische Universität Wuppertal, Deutschland) warnt davor, dass der Hotspot des Teams ohne diese Analyse in den Daten wahrscheinlich etwas überbetont wird. Er ist auch besorgt, dass die Kollaboration keine blinde Analyse durchgeführt hat (d. h. sie haben den Cluster beim Wachsen beobachtet, anstatt zu warten, bis sie alle Daten gesammelt haben, um nach Mustern zu suchen).

Trotzdem ist er fasziniert von dem Fund und hofft auf das, was er verspricht. Wenn sowohl der Ursa Major- als auch der Cen-A-Hotspot einer weiteren Analyse standhalten, bedeutet dies, dass die kosmische Strahlung mit der höchsten Energie, die in der nördlichen und südlichen Hemisphäre entdeckt wurde, aus mindestens zwei verschiedenen Quellen stammt. „Das sind wirklich interessante Daten, aber man muss, glaube ich, etwas mehr Geduld haben, um konkrete Aussagen zu machen“, sagt Kampert.

Hotspot-Ursache(n) immer noch ein Rätsel My

Eine Kombination von Röntgendaten (blau) des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA mit Radio- (orange) und Bildern mit sichtbarem Licht zeigt die Jets und radioemittierenden Keulen, die vom zentralen Schwarzen Loch von Centaurus A ausgehen.

Wenn sich die Hotspots als real erweisen, lautet die nächste Frage: Was in aller Welt schafft sie? Das Zentrum des nördlichen Flecks liegt etwa 19° nördlich und östlich des Zentrums des Virgo-Superhaufens von Galaxien – wahrscheinlich zu weit entfernt, als dass der Superhaufen der Schuldige sein könnte, aber immer noch faszinierend. Kampert sagt, dass Cen A tatsächlich die Quelle für den darauf zentrierten Fleck sein könnte – die Galaxie hat riesige keulenartige Ausflüsse, die mit energetischen Partikeln und Magnetfeldern verwoben wären – aber es ist zu früh, um das zu sagen.

Thomson vermutet, dass die Hotspots von kosmischen Filamenten stammen könnten. Galaxienhaufen bilden Filamente im kosmischen Netz, wobei das Universum auf den größten Skalen ein bisschen wie ein Schwamm aussieht. Diese Filamente sind nicht nur mit Galaxien gefüllt, sondern auch mit Magnetfeldern (die geladene Teilchen beschleunigen). Nachdem er Kataloge von nahegelegenen Galaxien durchsucht hat, vermutet Thomson, dass der Hotspot seines Teams mit einem Filament zusammenfällt, das sich vom Virgo-Haufen an uns vorbei erstreckt, und dass das bei Cen A zentrierte Filament radial von uns weg zeigt, wobei die Galaxie einer von ist die beiden nächsten Mitglieder im Filament. Er warnt davor, ein Experimentator und kein Theoretiker zu sein und damit völlig falsch zu liegen, „aber man kann nicht widerstehen“, sagt er lachend.

Obwohl sich die beiden Projekte in verschiedenen Hemisphären befinden, gibt es tatsächlich ein kleines Himmelssegment, das beide Arrays sehen können. Die Teams arbeiten nun gemeinsam daran, ihre Beobachtungen zu diesem Überlappungsbereich zu analysieren und zu sehen, was sich zeigt.

Erfahren Sie, wie Sie die Koordinaten dieses Hotspots auf einer Sternenkarte finden und vieles mehr mit Becky Ramotowskis Secrets of Stargazing.


Ep. 72: Kosmische Strahlen

Wir werden zu einer langen Reihe von Episoden zurückkehren, die wir gerne nennen: Strahlung, die dich in einen Superhelden verwandeln wird. Dieses Mal werden wir uns die kosmische Strahlung ansehen, von der jeder weiß, dass sie die Fantastischen Vier gemacht hat. Diese hochenergetischen Teilchen strömen von der Sonne und sogar aus dem intergalaktischen Raum und leisten einen wunderbaren Job, unsere DNA zu zerstören, uns Strahlenkrankheit zu geben und uns (hoffentlich!) in Superhelden zu verwandeln.

Notizen anzeigen

Kosmische Strahlen und aktive galaktische Kerne

    – Ein allgemeiner Artikel im Stil einer Enzyklopädie. (RA Mewaldt) – FAQ der NASA – Die aktuelle Forschung – gute Referenzen – Bradley M. Peterson – Cambridge X-Ray Astronomy verbindet kosmische Strahlung höchster Energie mit gewalttätigen Schwarzen Löchern (Nov. 2007)

Kosmische Strahlen und ihre Auswirkungen auf den Menschen

    – Wired Science (Fraser Cain – Juli 2007) (Nicholos Wethington – Dez. 2007) (Fraser Cain – Feb 2004) Wie viel Strahlung erwartet Mondkolonisten? Eine neue NASA-Mission soll das herausfinden. (Sept. 2005) (PDF-Datei. Okt. 2002) – ScienceBits

Transkript: Kosmische Strahlen

Fraser Kain: Wir werden zu einer langen Reihe von Episoden zurückkehren, die wir gerne nennen: Strahlung, die dich in einen Superhelden verwandeln wird. Dieses Mal werden wir uns die kosmische Strahlung ansehen, von der jeder weiß, dass sie die Fantastischen Vier gemacht hat.


Diese hochenergetischen Teilchen strömen von der Sonne und sogar intergalaktisch
Weltraum und leisten einen wunderbaren Job, unsere DNA zu zerstören und uns Strahlung zu geben
Krankheit und machen uns vielleicht (hoffentlich!) zu Superhelden.


Ich schätze, wir müssen auf die nächste Episode warten – vielleicht Gammastrahlen. Wir werden
Bleib in Bewegung.


Woher kommt die kosmische Strahlung?

Pamela: Sie kommen so nah wie unsere Sonne und so weit entfernt wie einige der am weitesten entfernten
wütende, aktive galaktische Kerne. Wo immer wir starke Magnetfelder haben, haben Sie
particles getting accelerated. In fact, in some cases we also get what are not
cosmic rays, but they look similar. They’re cosmic ray-like things from granite
and other rocks that are embedded with radioactive materials here on the planet
Earth.

Fraser: What is a cosmic ray? Some come from the Sun, some come from deep space…
break it down for me.

Pamela: It’s basically a fast-moving, subatomic particle. You get protons, electrons and
in some cases you even get alpha particles, which are helium nuclei. If you
accelerate them at high rates, when they collide with things they expend all their
energy. If the thing they’re hitting happens to be DNA it can do damage. If it
happens to be a digital imager such as a CCD detector it creates streaks in your
image (in graduate school cosmic rays were the bane of my existence and I
learned to hate them with great vigour.

Fraser: You’re saying the word particle. That doesn’t sound to me like a ray. When I
think of a ray, I think of a piece of the electromagnetic spectrum, but it doesn’t
even fit on the spectrum, right?

Pamela: Yeah, that’s one of the weird things about this. Cosmic rays are flying particles:
they’re a single thing that gets flung at you, or the planet Earth, or something
that can detect them, at high velocities.

Fraser: So think bullets, not waves.

Pamela: They’re bullets not rays.


Now, I have this sneaking suspicion, and I have no way of confirming this that I
know of, that the name cosmic ray may have come from the fact that they leave
streaks on detectors. So you get one basically coming to a grinding halt across
your photo-detector, across your photo-sensitive whatever it is you’re working
with. When they come grinding to a halt, their energy creates a streak on
whatever image you’re trying to take, that looks like a ray.

Fraser: All right, so give me the origin of a cosmic ray. What kind of conditions exist
and what will happen to actually generate one of these?

Pamela: So you have a proton minding its own business happening around the universe –
perhaps in a star, perhaps somewhere else.

Fraser: Sure – lets start with the ones that come from our Sun. will you have a free-
floating proton?

Pamela: A free-floating proton is nothing more than the hydrogen atom that’s been
stripped of its electrons.

Fraser: Okay, so how did it get stripped of its electrons?

Pamela: You heat it up and it gets naked . it’s kind of cool that way.

Fraser: All right. And a star is known to heat things up – so a star can strip a proton of its
electrons so you just have a naked proton.

Pamela: So you have this naked proton wandering around in the extremely hot outer,
outer atmospheres of the stars. They get trapped in magnetic loops.


When you look at the Sun through and H-alpha filter, you’ll sometimes see
these loops – these different neat filamentary structures on the edges of the Sun.
you can’t see them face-on, because they get lost in the glare of the Sun. they’re
getting accelerated through these magnetic loops, and when these loops break,
we get all sorts of particles flung at our planet. When they hit, we get things like
the northern lights.

Fraser: so the magnetic loops we see on the Sun, those are almost like if you take a
magnet and put it in a bunch of iron filings, the filings will move in the shape of
the magnetic field lines that are coming out of the magnet. So those loops on the
Sun are kind of the same thing?

Pamela: They’re very similar. Another way to think of it is as an electromagnet. If you
take a wire and loop it around a piece of PVC pipe (use the thickest wire you
can find and a skinny pipe), attach it to a car battery, you can use it if you attach
and detach it quickly to fling small objects that are metal. Don’t do it with sharp
objects, but it’s fun to do with little BB’s or something in an open space. This is
a project I like to give to students.

Fraser: So in that situation you’re turning on the magnetic field and the BB or whatever
is trying to align itself into the magnetic field, and just as its about to get there
and be slowed down and pulled into its correct position, you turn off the
magnetic field and its just got the momentum to carry it along.

Pamela: In particle accelerators here on the planet Earth, like CERN which we talked
about in our show about the Large Hadron Collider, they have pulsed magnetic
fields where they’re constantly turning the magnets on and off in sequence to
drag the particles in circles around and around in these loops.

Fraser: So you’ve got these protons hanging out on the Sun, they get accelerated or they
get pulled into these magnetic field lines, and then the magnetic field lines
change and you get this snap and the particles are flung out. Is it just protons?
How fast are they going? …I just asked two questions there. Is it just protons?

Pamela: It’s not just protons. It’s protons and electrons, its even helium nuclei (alpha
particles) in some cases.

Fraser: It’s whatever was trapped in the magnetic field line when it snapped.

Pamela: It’s always ions

Fraser: Water at the end of your wet towel.

Pamela: The key is its always something that has charge. It’s going to be a light atom
because it takes a lot more energy to accelerate a heavy atom.

Fraser: Oh, because they have to have charge to be picked up by the magnetic field line
anyway.

Pamela: Exactly. So you take a charged nuclei, interact it with a magnetic field, snap the
magnetic field and off flies the charged particle, the charged ion… and you have
a cosmic ray.


These things vary in energy. You can get pithy little tiny ones, but you can also
get some where you have a single proton that is carrying as much energy as a
tennis ball going 50-60mph. That’s a lot of energy.

Fraser: Especially if it hits your precious DNA.

Pamela: Yeah. Imagine how much it hurts your skin if you get hit by a baseball. Imagine
instead all that energy being focused and nailing a piece of your DNA.


Luckily, these are itty-bitty little tiny things. They’re parts of atoms. Even
though we look like solid objects, human beings are mostly empty space –
everything is mostly empty space. Most of the time these protons will happily
sail through your entire body and not interact at all. Occasionally, damage can
occur.

Fraser: Right, but aren’t we protected by the Earth’s atmosphere?

Pamela: We’re mostly protected by the Earth’s atmosphere. The magnetosphere is
what’s doing most of the protecting. Our planet has its own magnetic field, and
when these charged particles interact with the magnetic field, in many cases
these particles get their direction changed and they veer off so we don’t get hit
by the majority of them. Some of them do make it through the magnetic field of
the Earth and hit us down here on the planet Earth. There’s actually been some
possible relationships between spikes in the number of cosmic rays hitting the
planet Earth, and the frequency of cancer.

Fraser: So when the cosmic rays hit the Earth, they don’t stream straight in – they get
stopped by the atmosphere. Could we talk about our natural defences – how is
our planet protecting us from those awful rays?

Pamela: It’s primarily our magnetic field. Just like magnetic fields can accelerate these
particles, they can decelerate them and change their direction. They can funnel
them into the Van Allen Radiation Belts.


Our atmosphere can help as well. When these cosmic rays hit the atmosphere,
they end up reacting with things in the atmosphere, creating Cherenkov
Radiation. We get streams of different types of particles that we can then detect
with different telescope facilities that are specially built to detect these cosmic
rays.


There are still some that make it through, completely unaltered, waiting to nail
my CCD when I’m trying to take high-resolution images of the cosmos.

Fraser: That’s what you talked about next. You’re using your CCD and not trying to
detect them… but what’s the method astronomers use to detect them when they
go looking for them?

Pamela: There’s a few different ways. One method you can use is you can take a large
tank of often heavy water. You can actually get muons produced when cosmic
rays hit the heavy water. We can detect these through their child particles and
the flickering of light they give off.


Another way that we can detect this is through the chain of particles they
produce in the atmosphere. You can have a high energy proton coming in and it
collides with a molecule in the atmosphere and gives off what are called pions
which then decay into things like muons and gamma rays and neutrinos.
Through all these different chains of events, we eventually get things we can
actually detect. There are different observatories like the Whipple Observatory.


There’s a new facility, the Pierre Ojet Observatory, which is actually a pair of
observatories, one in the United States and another in Argentina. They’re
working to use a whole different array of methods so they can compare how
they’re detecting cosmic rays and hopefully work to figure out where on the sky
these cosmic rays are coming from.


Figuring out where cosmic rays originate is actually a real problem. As they’re
flying through the cosmos, every magnetic field they interact with is going to
change their direction. Some cosmic rays we’ll never be able to figure out
where they originated.

Fraser: That’s part of the mystery. You talked about the fact that we know most of the
cosmic rays hitting the Earth are coming from the Sun. That’s not all of them –
where are the rest coming from?

Pamela: Some are coming from galactic origins. Unfortunately, the galactic ones we
have no way of figuring out where they came from. The galactic magnetic field
scrambles all of that information.


Based on their energies and based on the shocks we see around things like
supernova, we believe most of the galactic cosmic rays originate in supernova
blasts. Some of them though have such high energies we can’t really find
anything in our galaxy that they could be coming from. We’re still trying to find
all the origins.

Fraser: Weren’t some of the energy levels in the cosmic rays higher than physicists
thought was even possible? Wasn’t it more than was theoretically predicted by
the most extreme events anyone could imagine?


So sometimes (not often, but occasionally), you get physicists that come up with
humorous names for things. The Higgs Boson is nicknamed the God Particle.


It’s the one we’re looking for that will give mass to everything, and we need to
know where mass comes from.


After finding these ultra, oh-my-god-high energy cosmic rays, they got
nicknamed the “oh my god†particles, because nothing can explain what created
these things.


We’re starting to get some clues. We think many of them have extragalactic
origins, so they’re travelling to meet us from other galaxies. We think it might
just be that they’re coming from super massive black holes that are angrily
feeding in the centres of galaxies. These are active galactic nuclei. It’s a family
of galaxy related to quasars.

Fraser: What might be the process that’s whipping up these particles with that much
energy?

Pamela: It’s all about the magnetic fields. Active galactic nuclei, in many cases, have
these amazing jets. They appear as radio lobes in surveys like the first NVSS
surveys done with the VLA in Mexico. You look at these images and when you
super-impose the radio images on the optical images, the optical part of the
galaxy might be 20 pixels across, down in the centre of the image. Then you get
these huge radio lobes that will go out a couple hundred pixels in either
direction.

Fraser: When you say lobes… what is a lobe?

Pamela: We call them lobes. It’s the name we gave the shape. Take ice cream cones and
attach them to the top and bottom of a spiral galaxy. At the end, have the
material coming out billow as it hits the intergalactic medium.


We have these jets of material in some cases very tightly wound and we can
actually see twisting and winding of the material. As the material travels away
from the galaxies, it eventually ends up colliding with the dust and gas between
galaxies and it billows out when it hits, sort of like a waterfall hitting the ground
and creating a cloud of splashing water.

Fraser: So when you see the picture from a telescope of a quasar or active galactic
nuclei, the visible part may be a small little part of the screen, but then the part
that’s actually radiating radio waves is gigantic around the galaxy, and that’s
coming from the jets that are interacting with its surroundings?

Pamela: They originate from the jets. So these quasars have powerful magnetic fields
being generated in the accretion disk of in-falling material around them. Sie
have this spiralling charged material driving huge magnetic fields. Sometimes,
particles get flung out the poles of the magnetic fields. This acceleration creates
the jets, and it can also help create, in this chaos of magnetic fields, these ultra


high-energy cosmic rays that are packing a wallop of a high school student’s
tennis ball that’s getting hit at 50-60mph.

Fraser: There’s actually some brand new research that we reported on at the AAS, where
astronomers are now calculating that many super massive black holes are
spinning at the very limits of relativity as predicted by Einstein. You can just
imagine something with hundreds of millions of times the mass of our Sun
spinning close to the speed of light.

Fraser: In a disk of material and with a giant magnetic field it’s building up. You can
just imagine the forces its building up. Just like the Sun, it’s scooping up
particles in these magnetic fields and snapping them like a towel at us? Maybe.

Pamela: That’s pretty much exactly what’s going on. One of the numbers I found in
preparing for the show was that in some cases, these high energy accelerated
particles are moving so fast, at so close to the speed of light, that if one of these
high energy cosmic rays – a proton – left a supernova at the same time as a
photon and they travelled for one year, the proton, which because it has mass
can’t travel at the speed of light, will only be about 46nm behind the photon that
is travelling at the speed of light.

Fraser: That’s what I heard – that one of the important things astronomers were able to,
with their latest research they were able to see some event at a super massive
black hole in a galaxy far away, and then later, see the associated cosmic rays
from it.

Pamela: This is one of the neat, new, forefront areas of science where we’re just starting
to build the detectors, we’re just starting to figure out how to detect these things
and how to triangulate where they’re coming from, and in may cases we can’t
tell where the cosmic rays are coming from, but with our optical, radio, gamma
ray, x ray telescopes we can see that a really cool event went off and then a few
minutes later, with our cosmic ray detectors, we see this flood of cosmic rays.
So we’re using the probability alignment of “if we see this and then we see this
over and over, then they’re probably related†.

Fraser: That makes sense.

Fraser: Now, what kind of an impact do cosmic rays have on spaceflight for astronauts
heading to the Moon? If humans are going to be buzzing around the solar
system in the future, are these pretty dangerous?

Pamela: Yeah. This is actually a fairly serious problem we have to figure out how to
address as we look to send men and women further and further across the solar
system. Today on the International Space Station, they actually have one part
that is much better protected than others. When there’s a solar storm, they lock
everyone in that one area because it will protect them better.


As we start heading out… Mars doesn’t have a magnetosphere. The Moon
doesn’t have a magnetosphere. We’re going to have to develop spacecraft that
will allow astronauts to not only survive solar storms but as they spend longer
and longer periods of time in orbit, they’re going to need to not get blasted with
too many REMs of radiation.


Alpha particles are one of the forms of cosmic rays. They’re also one of those
things that can cause radiation poisoning if you encounter too many of them. So
we need to protect them, and we need to worry about how long people spend in
space.


Anyone who’s worked in a lab with radiation knows you can experience a
certain amount of radiation before you have to start worrying about the
consequences of the radiation. All of us can get our teeth x-rayed, all of us can
go down to the granite quarry now and then. But if you live in new England,
you’ve probably done a radon test in your basement because you don’t want to
live in a house that’s filled with radon. It will eventually cause increases in
cancer rates.
Going into space is the same as building your house inside the granite quarry,
where your entire house is filled with radon.

Fraser: What kind of warning will we get? Do we have mechanisms for detecting a solar
storm coming past, and a way for the astronauts to run and hide? Wie viel
time do they have?

Pamela: People are trying to figure out ways to do this. Luckily for the solar ones they’re
not going at the speed of light. Often we have a day or so – a few hours, to get
people prepared. It depends.


At last year’s AAS, or perhaps over the summer, someone was talking about
ways you can tune in to coronal mass ejections, and depending on the radio
spectrum, depending on all the different colours of light and how they come off
of the Sun, you can say, “this one is going to hit us with a blast of particles, and
this one isn’t.†that’s useful information. It allows us to do things like put
telescopes into safe mode when we know they’re in trouble.


Now, the problem is there are these ultra-high energy cosmic rays that are
coming from beyond the Sun that we have no way of predicting. As you get out
of the Earth’s magnetosphere, the number of those that are going to hit your
body are increasing.

Fraser: The astronauts in the space station, they’re protected because they’re within the
magnetosphere.

Pamela: In many cases yes.

Fraser: Right. But if you get out of the magnetosphere and off to the Moon or off to
Mars, then you’re on your own.

Fraser: I think that’s going to be a pretty big problem, and I can imagine us having these
heavily armoured (and, I guess, heavy) spaceships trying to minimize the
radiation risks the astronauts are going to be facing. That’s just going to
increase the expense of getting things into orbit.

Pamela: Yeah, and people in the international space station are only up for a few
hundred days. Going to Mars, you’re looking at 3 years.

Fraser: Right, and it’s not like once you get to the planet you can sit there and be safe.
It’s just as dangerous down on the surface of the planet as you are in space.

Pamela: So we have to figure out how to effectively protect people, lower the risk of
cancers and mutations. One of the problems with this is it’s not necessarily the
astronauts that get the cancer, but it could also be their children. You don’t want
to say astronauts can’t have children, but we have to consider the generations of
damage we can do.

Fraser: There’s one last thing that was quite interesting. One of the writers on Universe
Today did an article, and scientists had been able to track the link between
cosmic rays and cancer rates.

Pamela: Yeah, this is what I was hinting at. There was a cycle determined using ice core
samples. It’s possible to go through and determine where and when in the past
there were increased numbers of cosmic rays. In the United States, Canada, the
UK, and Australia, we have fairly good data for who had cancer and died of
cancer in the past 100+ years. Going through this data, they were able to find
there’s basically a 28 year lag between a peak in cosmic rays and a peak in
cancer deaths.


They also found that when there was extremely low rates of cosmic rays, 28
years later there was extremely low rates of cancer. All because there’s a link
doesn’t mean cosmic rays are causing the cancer – it could be something else. It
could be that cosmic rays are causing something else. But there is this
relationship we’re noticing.


One of the ideas they put forward is you have a woman who’s pregnant. Während
pregnant she gets blasted with cosmic rays. She has millions of cells – she’s’
okay. But her unborn child might be a few dozen cells at the time. When you
damage one of those few dozen cells, that damage propagates to the entire
future human being. Then that future human being has a child, and it’s that child
that ends up getting and dying of the cancer.

Fraser: Wow. So is there a Suntan lotion I can get when the cosmic rays are on the
increase? Lead, right?

Pamela: Or glass – glass in some cases can be useful.

Fraser: Glass, lead, underwater.. live in a subterranean home…

Pamela: That little room the x-ray technician goes into.

Fraser: Yeah, that should be safe.


This transcript is not an exact match to the audio file. It has been edited for clarity.


Cosmic Rays May Have Played Key Role in Origin of Life’s Handedness

Living organisms comprise a system of molecules organized with specific handedness. Handedness — or chirality — is the geometric property of an object that cannot be superimposed on its mirror image. In a paper published in the Astrophysical Journal Letters, a duo of researchers speculates that the interaction between proto-lifeforms and magnetically polarized cosmic rays may be responsible for this structural preference in biological molecules.

Cosmic rays. Image credit: Pierre Auger Observatory.

Biological homochirality was discovered in 1848 by the French biologist, microbiologist and chemist Louis Pasteur.

Since then, scientists have debated whether the handedness of life was driven by random chance or some unknown deterministic influence.

Pasteur hypothesized that, if life is asymmetric, then it may be due to an asymmetry in the fundamental interactions of physics that exist throughout the cosmos.

“We propose that the biological handedness we witness now on Earth is due to evolution amidst magnetically polarized radiation, where a tiny difference in the mutation rate may have promoted the evolution of DNA-based life, rather than its mirror image,” said Dr. Noémie Globus, a researcher in the Center for Cosmology & Particle Physics at New York University and the Center for Computational Astrophysics at Flatiron Institute.

In their paper, Dr. Globus and Stanford University’s Professor Roger Blandford argue that cosmic rays are an important piece of the chiral puzzle of life.

“Cosmic rays are an abundant form of high-energy radiation that originate from various sources throughout the Universe, including stars and distant galaxies,” they explained.

“After hitting the Earth’s atmosphere, cosmic rays eventually degrade into fundamental particles. At ground level, most of the cosmic rays exist only as particles known as muons.”

“Muons are unstable particles, existing for a mere 2 millionths of a second, and are magnetically polarized, meaning, on average, muons all share the same magnetic orientation. When muons finally decay, they produce electrons with the same magnetic polarization.”

Showers of high-energy particles originating from the Sun and our Milky Way Galaxy collide with nitrogen and oxygen in the upper atmosphere. At ground level, the shower is dominated by magnetically polarized muons. At the protobiological site, nucleic acids assumed either a right-handed or left-handed helical conformation. The magnetically polarized radiation preferentially ionized one type of handedness leading to a slightly different mutation rate between the two mirror proto-lifeforms. Over time, right-handed molecules out-evolved their left-handed counterparts. Image credit: Simons Foundation.

The scientists believe that the muon’s penetrative ability allows it and its daughter electrons to potentially affect chiral molecules on Earth and everywhere else in the Universe.

Their hypothesis is that, at the beginning of life of on Earth, this constant and consistent radiation affected the evolution of the two mirror life-forms in different ways, helping one ultimately prevail over the other.

These tiny differences in mutation rate would have been most significant when life was beginning and the molecules involved were very simple and more fragile.

Under these circumstances, the small but persistent chiral influence from cosmic rays could have, over billions of generations of evolution, produced the single biological handedness we see today.

The researchers suggest experiments that could help prove or disprove their cosmic ray hypothesis. For example, they would like to test how bacteria respond to radiation with different magnetic polarization.

“Experiments like this have never been performed and I am excited to see what they teach us. Surprises inevitably come from further work on interdisciplinary topics,” Dr. Globus said.

The team also looks forward to organic samples from comets, asteroids or Mars to see if they too exhibit a chiral bias.

“This idea connects fundamental physics and the origin of life,” Professor Blandford said.

“Regardless of whether or not it’s correct, bridging these very different fields is exciting and a successful experiment should be interesting.”

Noemie Globus & Roger D. Blandford. 2020. The Chiral Puzzle of Life. ApJL 895, L11 doi: 10.3847/2041-8213/ab8dc6


Anomalous Cosmic Rays

Outcome: A new origin of anomalous cosmic rays measured by Voyagers was proposed. It is related to acceleration of particles in sites of reconnection.

Transformative: This may be the first indication that the process of cosmic ray acceleration in reconnection sites works. Reconnection is expected to be widely spread and such processes can be very common explaining the origin of a substantial part of the cosmic ray population.

Erläuterung:

Scientific problem: When Voyagers passed the shock surrounding our Solar system they did not detect the change in the spectrum of the cosmic rays that was expected. Most of cosmic rays come from our entire galaxy, but a population of the low energy cosmic rays was always related to the acceleration in the termination shock produced by the interaction of the solar wind and the ambient interstellar medium. This explanation became problematic in view of the discovery by Voyagers.

Solution: The paper identifies magnetic reconnection as the source of anomalous cosmic rays.

Significance: This was the first paper suggesting the new mechanisms of the anomalous cosmic rays. The mechanism is applicable beyond the Solar system and corresponds to the PI&rsquos long claim on the crucial importance of reconnection processes for cosmic ray acceleration (the PI was the first who identified in 2003 the reconnection cites with a very efficient first order Fermi acceleration process, claiming that the reconnection cites as efficient in cosmic ray acceleration as shocks (see more de Gouveia dal Pino & Lazarian 2003, astro-ph/0307054).

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Cosmic rays, and how to get rid of them

Unfortunately, photons are not the only items flying through space. There are also kosmische Strahlung, which are not massless bits of energy, like photons instead, cosmic rays are elementary particles such as electrons, protons, and simple nuclei of hydrogen and helium.

When these particles enter the Earth's atmosphere, they smash into particles of air and create a shower of particles and high-energy photons which head toward the ground.

  • each photon creates just a single electron, in one pixel
  • each cosmic-ray particle can create hundreds or thousands of electrons, crossing through several pixels

For example, consider the following image of the galaxy M101 (and SN 2013ej) taken with the RIT Observatory 12-inch telescope.

This image shows a big blob (the galaxy) near the top, and a number of smaller blobs (the stars) scattered throughout. Each star is a blob, rather than a pinpoint of light, because the Earth's atmosphere has blurred the light rays so that they form a rough circle several arcseconds across.

But -- look carefully. Do you see any object which looks different?

Yes, down near the bottom center. There's an object which doesn't look very blurry. Let's zoom in on it:

This "object" has very sharp edges. In fact, the electrons from it appear in just 3 adjacent pixels, with no gradual decrease in the neighboring pixels. This is a sign that the chip has been hit by a cosmic ray.

A worst-case scenario

Images we take near sea level don't suffer much from cosmic rays -- they only appear every now and then.

On the other hand, telescopes on mountaintops, high above much of the Earth's atmosphere, are exposed to much greater levels of radiation from space. And telescopes in orbit are even more vulnerable. The Hubble Space Telescope circles the Earth not far from regions of the Earth's magnetic field which are full of high-energy electrons and protons. Cosmic rays can be really annoying in images taken by these instruments. Take a look at this raw image from HST:

Yuck! How can we get rid of those nasty cosmic rays?

Could we, perhaps, take the average of several images?

A brief trip to the Land of Statistics

  • Fred: $10,000
  • Jane: $12,000
  • Bob: $11,000
  • Bill: $50,000,000
  • Peter: $10,000
  • Sally: $11,000

You want to describe the results of your survey with just a single number. What best represents the typical income of Seattle residents?

  • sort the values
  • count the values
  • walk through the sorted array until you have gone past half the entries then stop
  • the current value is the median

If there are N elements in a set, then the median is just element number N/2 in the sorted set.

  1. What is the median of the incomes?
  2. Does this seem more reasonble for the "typical" income?

Okay, let's go back to our HST image.

  • the random noise along the left and bottom edges is due to regions of the chip which are not illuminated by light from the sky . so there's nothing BUT random thermal and readout noise
  • the bright points and short streaks all over the image are due to cosmic rays
  • the giant, bright line running horizontally across the image is another satellite which passed through the field of view during the exposure

We can't do anything about the regions of the chip which were not illuminated, but look what happens when we take the median of just two raw HST images of this field.

That's much better. Most of the cosmic rays are gone, though some single-pixel events are still present. The satellite trail is reduced in prominence, too.

After combining about 20 images of this field (taken in the V and I filters), all the cosmic rays are gone, and the satellite trail has completely disappeared.

For more information

    The HST images in the examples above were part of a project to find Cepheid stars in the galaxy NGC 2841. You can read the results at The Discovery of Cepheids and a New Distance to NGC 2841 Using the Hubble Space Telescope

Copyright © Michael Richmond. This work is licensed under a Creative Commons License.


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