Madala sagedusega raadiotaevas kosmilise kiirguse löögi ajal. Kujutise krediit: MPIFR. Pilt suuremalt.
LOPES eksperimendi abil on uue kõrgtehnoloogilise raadioteleskoobi LOFAR prototüüp ülikõrge energiaga kosmiliste kiirte osakeste tuvastamiseks salvestanud grupp astrofüüsikuid koos Max-Planck-Gesellschafti ja Helmholtz-Gemeinschaftiga kõige eredama ja kiireima raadiojaamad, mida taevas kunagi nähtud on. Plahvatused, mille avastamisest teatatakse ajakirja Nature selle nädala väljaandes, on raadiovalgustuse dramaatilised välgud, mis paistavad päikesest üle 1000 korra eredamalt ja tavalisest välgust peaaegu miljon korda kiiremini. Nendest välgudest - mis olid seni jäänud märkamata - muutuvad väga lühikeseks ajaks taeva eredaim valgus, mille läbimõõt on kaks korda suurem kui Kuu.
Katse näitas, et Maa atmosfääris tekivad raadiovälgud, mis on põhjustatud kosmoses toodetud kõige energilisemate osakeste mõjust. Neid osakesi nimetatakse ülikõrge energiaga kosmilisteks kiirteks ja nende päritolu on jätkuv mõistatus. Astrofüüsikud loodavad nüüd, et nende leid valgustab nende osakeste müsteeriumile uut valgust.
Teadlased kasutasid Forschungszentrum Karlsruhes KASCADE-Grande eksperimendi käigus massiivset raadioantenni ja suurt osakeste detektorite massiivi. Nad näitasid, et alati, kui Maa atmosfääri tabas väga energiline kosmiline osake, registreeriti sissetuleva osakese suunast vastav raadioimpulss. Raadioastronoomia pilditehnikaid kasutades produtseeris rühm isegi nende sündmuste digitaalseid filmijärjestusi, saades kiireimad filmid, mis raadioastronoomias kunagi toodetud. Tahkete osakeste detektorid andsid neile põhiteavet saabuvate kosmiliste kiirte kohta.
Teadlased suutsid näidata, et väljastatud raadiosignaali tugevus oli kosmilise kiirguse energia otsene mõõt. "On hämmastav, et lihtsate FM-raadioantennide abil saame mõõta kosmosest tulevate osakeste energiat," ütleb prof Heino Falcke Hollandi astronoomiauuringute fondist (ASTRON), kes on LOPES-i koostöö eestkõneleja. "Kui meil oleks tundlikke raadiosilmi, siis näeksime taeva sädet koos raadiovälkudega," lisab ta.
Teadlased kasutasid antennipaare, mis olid sarnased tavalistes FM-raadiovastuvõtjates kasutatavatega. "Peamine erinevus tavalistest raadiodest on digitaalse elektroonika ja lairibavastuvõtjate abil, mis võimaldavad meil kuulata paljusid sagedusi korraga," selgitab Dipl. Füüs. Bonni ülikooli ja Rahvusvahelise Max-Plancki teaduskooli (IMPRS) magistrant Andreas Horneffer, kes paigaldas oma doktoriprojekti raames antennid.
Põhimõtteliselt on mõned tuvastatud raadiovälgud tegelikult piisavalt tugevad, et tavaline raadio- või televiisori vastuvõtt lühikeseks ajaks pühkida. Selle efekti demonstreerimiseks on rühm muutnud oma kosmilise kiirgusraadio vastuvõtu heliribaks (vt allpool). Kuna välgud kestavad vaid umbes 20-30 nanosekundit ja eredad signaalid esinevad vaid üks kord päevas, on need igapäevaelus vaevalt äratuntavad.
Katse näitas ka seda, et raadioemissiooni tugevus varieerus Maa magnetvälja orientatsiooni suhtes. See ja muud tulemused kinnitasid põhilisi ennustusi, mida prof Falcke ja tema endine doktorant Tim Huege olid teoreetilistes arvutustes varem teinud, aga ka professor Peter Gorham Hawaii ülikoolist.
Kosmilised kiirgusosakesed pommitavad pidevalt maad, põhjustades elementaarsete osakeste väheseid plahvatusi, mis moodustavad atmosfääri läbi kiirgava aine- ja ainevastaste osakeste. Selles valgusvihus kõige kergemini laetud osakesed, elektronid ja positronid suunatakse Maa geomagnetilise välja poolt, mis põhjustab nende raadioemissiooni. Seda tüüpi kiirgus on hästi teada Maa osakeste kiirenditest ja seda nimetatakse sünkrotronkiirguseks. Analoogia põhjal räägivad astrofüüsikud nüüd geosünkrotroni kiirgusest, mis on tingitud interaktsioonist Maa magnetväljaga.
Raadiovälgud tuvastati LOPES-i antennide abil, mis olid paigaldatud KASCADE-Grande kosmosekiirgusega õhu duššieksperimendile Forschungszentrum Karlsruhe, Saksamaa. KASCADE-Grande on juhtiv katse kosmiliste kiirte mõõtmiseks. "See näitab, kui tugevad on suured naabruses toimuvad astroosakeste füüsika eksperimendid - see andis meile võimaluse uurida ka selle ebatavalisi ideid," ütleb KASCADE-Grande pressiesindaja dr Andreas Haungs.
Raadioteleskoobis LOPES (LOFARi prototüübi eksperimentaaljaam) kasutatakse maailma suurima raadioteleskoobi LOFAR prototüübiantenne, mis ehitatakse Hollandis ja Saksamaa osades pärast 2006. aastat. LOFAR on radikaalselt uus disain, mis ühendab hulgaliselt odavaid madala sagedusega antenne, mis koguvad raadiosignaale kogu taevast korraga. Kiire Interneti-ühenduse abil on superarvuti võimeline tuvastama ebatavalisi signaale ja tegema pilte taeva huvitavatest piirkondadest ilma mehaanilisi osi liigutamata. „LOPES saavutas LOFARi projekti esimesed suured teaduslikud tulemused juba arendusetapis. See paneb meid kindel olema, et LOFAR on tõepoolest sama revolutsiooniline, kui me lootsime. " selgitab Madalmaade Dwingeloos asuva Madalmaade Astronoomia Uuringute Sihtasutuse (ASTRON) direktor prof Harvey Butcher, kus praegu arendatakse LOFARi.
"See on tõepoolest ebaharilik kombinatsioon, kus tuumafüüsikud ja raadioastronoomid teevad koostööd ainulaadse ja väga originaalse astroosakeste füüsika eksperimendi loomiseks", väidab dr Anton Zensus, Max-Plancki Instituudi Radioastronomie (MPIfR) direktor Bonn. „See sillutab teed uutele osakeste füüsika tuvastusmehhanismidele ning tutvustab järgmise põlvkonna teleskoopide nagu LOFAR ja hiljem Square Kilomeetri massiivi (SKA) hingematvaid võimalusi. Äkki tulevad kokku suured rahvusvahelised katsed erinevates uurimisvaldkondades ”
Järgmise sammuna soovivad astrofüüsikud kasutada tulevast LOFAR-i massiivi Hollandis ja Saksamaal raadioastronoomia ja kosmiliste kiirte uurimiseks. Käimas on testimine, et integreerida raadioantenn Argentinas kosmiliste kiirte Pierre Augeri vaatluskeskusesse ja võimalik, et hiljem ka põhjapoolkera teise Augeri vaatluskeskusesse. „See võib olla suur läbimurre avastamistehnoloogias. Loodame seda uudset tehnikat kasutada kõrgeima energiaga kosmiliste kiirte olemuse tuvastamiseks ja mõistmiseks ning ka kosmosest ultra-ülienergiaga neutrinode tuvastamiseks, "ütles prof Johannes Blömer, Helmholtzi ühingu astroosakeste füüsika programmi direktor ja kell Forschungszentrum Karlsruhe.
Avastamist on osaliselt kinnitanud Prantsuse grupp, kes kasutab Nanyas Pariisi observatooriumi suurt raadioteleskoopi. Ajalooliselt tehti kosmilistest kiirtest tuleneva raadiolainetega seotud tööd 1960. aastate lõpus koos esimeste tuvastamisnõuetega. Tänapäevase tehnoloogiaga ei saanud aga kasulikku teavet hankida ja töö lakkas kiiresti. Peamisteks puudusteks olid pildistamisvõimaluste puudumine (nüüd tarkvara abil rakendatud), madal eraldusvõime aja jooksul ja hästi kalibreeritud osakestetektorite massiivi puudumine. LOPES-eksperimendist on see kõik ületatud.
Algne allikas: MPI pressiteade
