En partikel mindre end et atom tilbagelagde millioner af lysår med en hastighed uhyre tæt på lysets, før den 27. maj 2021 ramlede ind i Jordens atmosfære højt over den amerikanske delstat Utah.
Her forårsagede den en stor byge af nye partikler, hvoraf en lille del blev opfanget af det store, internationale detektoranlæg Telescope Array, som netop har til formål at detektere denne form for energirig kosmisk partikelstråling.
Nu vækker den enlige partikel opsigt, for den var ekstremt energirig. Faktisk er den kun overgået af en partikel, der blev detekteret i 1991, og som fysikerne kalder ”Oh my God-partiklen”.
Kilden er en gåde
Forskerne kan hverken finde ud af, hvor partiklen kom fra, eller hvad der kan have givet den så meget energi. Kosmisk stråling med ultrahøj energi er noget af et mysterium, fortæller lektor Jørgen Beck Hansen fra Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet:
»Så energirige partikler er ekstremt sjældne, og derfor ved vi ikke så meget om dem. Deres oprindelse er et mysterium,« siger han og fortsætter:
»Vi ved, at det kræver en meget voldsom begivenhed at accelerere partikler op til så høj en energi. Noget ultraekstremt, der har involveret superstærke elektromagnetiske felter, har sendt denne partikel afsted.«
Astronomerne kender ikke til fænomener i vores egen galakse, der kan accelereret partikler op til den ultrahøje energi, så den må stamme fra en anden galakse millioner af lysår herfra.
Energi som en mursten
Fysikerne ved ikke præcis, hvad der ramte os, men der er højst sandsynligt tale om en subatomar, ladet partikel, altså en partikel mindre end et atom.
Kosmisk partikelstråling består mest af protoner – kernen i brint, der er universets mest udbredte grundstof – men der dukker også tungere atomkerner op i strålingen.
Partiklen havde en energi på cirka 244 exaelektronvolt– eller 2,44 x 10²⁰ eV, som det også kan skrives – hvilket svarer til 39 joule. Den navnkundige ’Oh my God-partikel’ fra 1991 var til sammenligning oppe på 320 exaelektronvolt lig med 51 joule (navnet stammer fra fysikernes umiddelbare reaktion på den helt uventede måling – du kan læse mere om den i artiklen Hvor kommer den kosmiske stråling fra?)
Det lyder måske ikke af meget, men det betyder, at den subatomare partikel, der skal måles i milliontedele af en milliardtedel af en meter, havde lige så meget bevægelsesenergi som en tennisbold servet afsted af en god amatørspiller – eller, som det fremgår af en pressemeddelelse fra University of Utah, som en mursten, der tabes ned på en tå.
Fysiker troede ikke på sine data
Detektoranlægget Telescope Array består af 507 detektorstationer spredt ud over et 700 kvadratkilometer stort ørkenområde i den amerikanske delstat Utah. Til sammenligning har Bornholm et areal på 588 kvadratkilometer.
Sporet efter den hurtige partikel blev opdaget af den japanske fysiker Toshihiro Fujii, da han rent rutinemæssigt tjekkede data fra detektorerne.
Først troede han ikke helt på målingerne, fortæller han i en pressemeddelelse fra Osaka Metropolitan University i Japan:
»Da jeg først opdagede denne kosmiske stråling med ultrahøj energi, troede jeg, at det måtte være en fejl, for så høj en energi er ikke set i tre årtier.«
Men den var god nok, og Toshihiro Fujii gav partiklen kælenavnet ’Amaterasu’ efter en japansk solgudinde. En artikel om opdagelsen er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Science.
\ Læs også
Vores partikelacceleratorer er langt bagefter
244 exaelektronvolt er 35 millioner gange så høj en energi, som det er muligt at give en subatomar partikel her på Jorden. Verdens største partikelaccelerator, den 27 km lange Large Hadron Collider i Schweiz, kan nemlig ’kun’ accelerere protoner op til en energi på syv billioner elektronvolt.
Naturen må have partikelacceleratorer, der er langt mere effektive end de menneskeskabte.
Spørgsmålet er så, hvad der kan sende subatomare partikler afsted med så meget energi. Et bud kunne være, at meget energirig kosmisk stråling bliver udsendt, når stjerner eksploderer som supernovaer.
Her er problemet, at selv ikke supernovaer kan skyde partikler afsted med så voldsomme energier. Så skal der i hvert fald være tale om en højst usædvanlig og meget stor supernova, som er eksploderet meget hurtigt.
Supernovaen AT2018cow, som Videnskab.dk skrev om i 2019, er et eksempel på sådan en ekstremt hurtig og lysstærk supernova.
Store sorte huller er også en mulighed
Et andet bud er, at partiklen kommer fra et supertungt sort hul i midten af en fjern galakse. Når stof kredser rundt om et sort hul, bliver en del af det skudt ud i rummet af kraftige elektromagnetiske felter rundt om det sorte hul.
»Det kan være et ekstremt aktivt sort hul, der er kilden. Eller det kan være to neutronstjerner, der støder sammen. Men vi ved det ikke,« lyder det fra Jørgen Beck Hansen.
Der er selvfølgelig også den mulighed, at partiklens høje energi skyldes et mere eksotisk fysisk fænomen, vi slet ikke kender endnu.
»Det kunne være defekter i rumtidens struktur, kolliderende kosmiske strenge. Men nu strør jeg bare om mig med vilde idéer, som folk finder på, fordi vi ikke har en konventionel forklaring,« som professor og medforfatter til den videnskabelige artikel John Belz fra University of Utah siger det.
Detektoren bliver opgraderet
Det enorme detektoranlæg er designet, så det er muligt at finde ud af, hvilken retning højenergipartiklen kom fra. Det er helt centralt i forhold til at finde kilden. Men her var der ingen gevinst, for når astronomerne kigger ud i den retning, hvor partiklen kom fra, er der tomt. Der er ingen spor efter aktive sorte huller, supernovaer eller den slags.
Forskerne må konkludere, at de har detekteret en ekstremt energirig partikel, men at de ikke kan lokalisere kilden til den.
Nu er holdet bag detektoren er ved at opgradere den, så den bliver fire gange følsommere. Det vil tillade forskerne at detektere flere af de sjældne højenergipartikler og gøre det nemmere at se, hvilken retning, de kommer fra.
Med flere observationer bliver forhåbentligt muligt at finde ud af, hvilke voldsomme fænomener, der forårsager kosmisk stråling med ultrahøj energi.
