Cerul radio cu frecvență joasă la momentul apariției unei raze cosmice. Credit de imagine: MPIFR. Faceți clic pentru a mări.
Folosind experimentul LOPES, un prototip al noului telescop radio de înaltă tehnologie LOFAR pentru a detecta particule de raze cosmice de înaltă energie, un grup de astrofizicieni, în colaborare cu Max-Planck-Gesellschaft și Helmholtz-Gemeinschaft, a înregistrat cele mai strălucitoare și mai rapide explozii radio văzute vreodată pe cer. Exploziile, ale căror detectări sunt raportate în numărul de săptămână al jurnalului Nature, sunt sclipiri dramatice ale luminii radio care par de peste 1000 de ori mai luminoase decât soarele și de aproape un milion de ori mai rapid decât fulgerul normal. Pentru o clipă foarte scurtă, aceste sclipiri - care au trecut în mare parte neobservate până acum - devin cea mai strălucitoare lumină de pe cer cu un diametru de două ori mai mare decât luna.
Experimentul a arătat că luminile radio se produc în atmosfera Pământului, cauzate de impactul particulelor cele mai energice produse în cosmos. Aceste particule se numesc raze cosmice cu energie ultra-înaltă, iar originea lor este un puzzle continuu. Astrofizicienii speră acum că descoperirea lor va arunca o nouă lumină asupra misterului acestor particule.
Oamenii de știință au folosit o serie de antene radio și o gamă largă de detectoare de particule din experimentul KASCADE-Grande de la Forschungszentrum Karlsruhe. Ei au arătat că de fiecare dată când o particulă cosmică foarte energică lovea atmosfera Pământului, un impuls radio corespunzător era înregistrat din direcția particulei care intră. Folosind tehnici imagistice din radio astronomie, grupul a produs chiar secvențe de filme digitale ale acestor evenimente, producând cele mai rapide filme produse vreodată în radio astronomie. Detectoarele de particule le-au furnizat informații de bază despre razele cosmice primite.
Cercetătorii au putut să arate că puterea semnalului radio emis a fost o măsură directă a energiei razelor cosmice. „Este uimitor faptul că cu simple antene radio FM putem măsura energia particulelor care provin din cosmos”, spune prof. Heino Falcke, de la Fundația Olandeză pentru Cercetări în Astronomie (ASTRON), care este purtătorul de cuvânt al colaborării LOPES. „Dacă am avea ochi radio sensibili, am vedea cerul scânteind cu licăriri radio”, adaugă el.
Oamenii de știință au folosit perechi de antene similare cu cele utilizate în receptoarele radio FM obișnuite. „Principala diferență față de radiourile normale este electronica digitală și receptoarele cu bandă largă, care ne permit să ascultăm multe frecvențe simultan”, explică Dipl. Phys. Andreas Horneffer, student absolvent al Universității din Bonn și al Școlii Internaționale de Cercetare Max-Planck (IMPRS), care a instalat antenele ca parte a proiectului său de doctorat.
În principiu, unele dintre luminile radio detectate sunt de fapt suficient de puternice pentru a șterge recepția convențională de radio sau TV pentru o perioadă scurtă de timp. Pentru a demonstra acest efect, grupul a transformat recepția radio a unui eveniment cu raze cosmice într-o bandă sonoră (vezi mai jos). Cu toate acestea, din moment ce sclipirile durează doar pentru aproximativ 20-30 de nanosecunde și semnale luminoase se întâmplă o singură dată pe zi, acestea vor fi greu de recunoscut în viața de zi cu zi.
Experimentul a arătat, de asemenea, că emisia radio a variat ca forță în raport cu orientarea câmpului magnetic al Pământului. Acest lucru și alte rezultate au verificat predicțiile de bază care au fost făcute în calcule teoretice mai devreme de prof. Falcke și fostul său doctorat Tim Huege, precum și de calculele prof. Peter Gorham de la Universitatea din Hawaii.
Particulele de raze cosmice bombardează constant pământul provocând mici explozii de particule elementare care formează un fascicul de materie și particule anti-materie care se grăbesc prin atmosferă. Cele mai ușoare particule încărcate, electroni și pozitroni, în acest fascicul vor fi deviate de câmpul geomagnetic al Pământului care le determină să emită emisii radio. Acest tip de radiație este bine cunoscut de la acceleratoarele de particule de pe Pământ și se numește radiație sincrotronă. În analogie, astrofizicienii vorbesc acum despre radiația „geosinchrotron” datorită interacțiunii cu câmpul magnetic al Pământului.
Radiografiile radio au fost detectate de antenele LOPES instalate la experimentul de duș cu aer cu raze cosmice KASCADE-Grande la Forschungszentrum Karlsruhe, Germania. KASCADE-Grande este un experiment de frunte pentru măsurarea razelor cosmice. „Acest lucru arată puterea de a avea un experiment major de fizică astroparticulă direct în cartierul nostru - acest lucru ne-a oferit flexibilitatea de a explora și idei neobișnuite, deoarece aceasta”, spune dr. Andreas Haungs, purtătorul de cuvânt al KASCADE-Grande.
Radiotelescopul LOPES (LOFAR Prototype Experimental Station) folosește antene prototip ale celui mai mare radiotelescop al lumii, LOFAR, care va fi construit după 2006 în Olanda și în anumite părți din Germania. LOFAR are un nou design radical, combinând o multitudine de antene ieftine cu frecvență joasă care colectează semnalele radio de pe întregul cer simultan. Conectat prin internet de mare viteză, un supercomputer are apoi capacitatea de a detecta semnale neobișnuite și de a face imagini cu regiuni interesante pe cer, fără a mișca părți mecanice. „LOPES a obținut primele rezultate științifice majore ale proiectului LOFAR deja în faza de dezvoltare. Acest lucru ne face să fim siguri că LOFAR va fi într-adevăr atât de revoluționar așa cum am sperat că va fi. ” explică prof. Harvey Butcher, directorul Fundației Olandeze pentru Cercetări în Astronomie (ASTRON) din Dwingeloo, Olanda, unde LOFAR este în prezent dezvoltat.
„Aceasta este într-adevăr o combinație neobișnuită, în care fizicienii nucleari și astronomii radio lucrează împreună pentru a crea un experiment unic și extrem de original în fizica astroparticulelor”, afirmă dr. Anton Zensus, director la Max-Planck-Institut din Radioastronomie (MPIfR) în Bonn. „Deschide calea pentru noi mecanisme de detectare în fizica particulelor, precum și pentru a demonstra capacitățile uluitoare ale telescoapelor de generație viitoare, precum LOFAR și mai târziu Square Kilometer Array (SKA). Deodată se reunesc experimente majore internaționale în diferite domenii de cercetare ”
Ca un pas următor, astrofizicienii vor să folosească viitoarea serie LOFAR din Olanda și Germania pentru radio astronomie și cercetare cu raze cosmice. Sunt în curs de testare pentru a integra antena radio în Observatorul Pierre Auger pentru razele cosmice din Argentina și, eventual, mai târziu în cel de-al doilea Observator Auger din emisfera nordică. „Aceasta poate fi o descoperire majoră în tehnologia de detectare. Sperăm să folosim această nouă tehnică pentru detectarea și înțelegerea naturii razelor cosmice cu cea mai mare energie și, de asemenea, pentru detectarea neutrinilor de înaltă energie din cosmos ”, spune prof. Johannes Bl? Mer, directorul programului de fizică Astroparticule al Asociației Helmholtz și la Forschungszentrum Karlsruhe.
Detectarea a fost confirmată parțial de un grup francez folosind radiotelescopul mare al observatorului de la Nan? Ay. Istoric, lucrul la emisiile radio provenite de la razele cosmice a fost realizat pentru prima dată la sfârșitul anilor 1960 cu primele afirmații ale detectărilor. Cu toate acestea, nu s-au putut extrage informații utile cu tehnologia din aceste zile, iar munca a încetat rapid. Principalele neajunsuri au fost lipsa capacităților de imagistică (implementate acum prin software), rezoluția de timp scăzută și lipsa unui tablou de detector de particule bine calibrat. Toate acestea au fost depășite cu experimentul LOPES.
Sursa originală: Comunicat de presă MPI
