Projektsammanfattning: En alternativ
accelerationsmekanism för kosmisk strålning med
ultrahög energi (UHECR)
Caspuan Berggren Norén
[email protected]
under ledning av Johan Hansson
Luleå Tekniska Högskola
Ett av vår tids stora astrofysiska problem är det om kosmisk strålning. Kosmisk strålning
består främst av subatomära partiklar som protoner, elektroner och alfapartiklar med sitt
ursprung från yttre rymden. Det som är så intressant men även det stora problemet med
kosmisk strålning är dock de extrema energinivåer som dessa partiklar kan uppvisa. Dessa
energinivåer varierar mellan 107 till 1020 eV (den högsta energinivån LHC har uppnått är 1013
eV) vilket innebär att dessa partiklar inte bara är de energirikaste i hela universum utan även
de näst snabbaste partiklarna i det kända universumet efter fotoner. De med en energinivå
över 5*1019 brukar refereras till som UHECR (Ultra-high-energi-cosmic rays) eller UHEstrålning. Varför den här energinivån är så intressant kommer framgå senare i texten.
Det här ställer dock givetvis en rad intressanta frågor. En av frågorna är hur dessa partiklar
faktiskt får deras enormt höga hastigheter. En teori lades fram av Enrico Fermi på 1950-talet
för att beskriva hur kosmisk strålning kunde accelereras med hjälp av kollisionlösa
reflektioner i så kallade ”magnetiska speglar”. Teorin gick ut på att partiklarna studsar mellan
magnetiska moln och en ”chockfront” (eng. shock front) upprepande gånger och på så vis
uppnå höga energinivåer. Den här teorin är än idag ledande för att beskriva accelerationen för
kosmisk strålning med energinivåer på upp till 1014 eV men inte högre än så.
Accelerationsmekanismen för UHE-strålning är än idag okänt och därför ett än mer relevant
forskningsområde.
Ett annat problem som måste tas i hänsyn när man pratar om UHECR är GZK-gränsen eller
Greisen-Zatsepin-Kuzmin-gränsen. Den begränsar energinivån för kosmisk strålning som
färdas över distanser längre än ~163 ljusår till 5*1019 eV. Detta innebär att strålningens
ursprung måste ligga relativt nära oss. Processen som minskar energinivån handlar om att när
en partikel med en högre energinivå än 5*1019 eV så kommer den kosmiska
bakgrundsstrålningen tack vare doppplereffekten att blåförskjutas då partikeln rör sig i
relativistiska hastigheter. Den kommer då att interagera med bakgrundsstrålningens fotoner
och bilda pimesoner via deltaresonansen. Dessa pimesoner kommer därefter att i de flesta fall
sönderfalla till fotoner. På grund av den här processen kommer därför partiklar med en högre
energinivå än 5*1019 att minska sin energi till den gränsen.
Syftet med mitt projekt är att med dessa problem i hänseende beskriva en alternativ
accelerationsmekanism för kosmisk strålning. Det är med hjälp av teoretiskt fysikaliska och
matematiska resonemang, datorsimuleringar samt observationell data från Augerteleskopet
som den här mekanismen kommer beskrivas i den slutgiltiga rapporten. Idag är projektet
fortfarande i en researchsfas och att beskriva hur den här accelerationsmekanismen kommer
se ut vid projektets slut är därför svårt att göra i närmare detalj.. Till regionalutställningen bör
dock projektet i mångt och mycket vara klart och en närmare genomgång av projektets
huvuddelar kan då ges där. Det som återstår av projektet är att konkret beskriva mekanismem
samt formalisera det på ett korrekt vis.
Källor:
Fermi E. On the Origin of Cosmic Rays; 1949
Choudhuri AR. The Physics of Fluids and Plasmas; 1998.
Perkins D. Particle Astrophysics; 2003
Peacock J. Cosmological Physics; 1999
Osterbrock D., Ferland G. Astrophysics of Gaseous Nebulae and Active Galactic Nuclei,
Second ed; 2006
