Hvor kommer den mystiske strålingen fra?

Denne artikkelen er produsert og finansiert av NTNU - les mer.

Kosmisk stråling inneholder av og til enorme mengder energi. Men vi aner ikke hvorfor eller hvor denne strålingen kommer fra. Eller kanskje gjør vi det nå?

Supermassive svarte hull i midten av galakser sender stråling og ultrarask vind utover i verdensrommet. Her en kunstnerisk fortolkning. (Illustrasjon: NASA / JPL-Caltech)

Folk ved NTNU vet kanskje svaret på et av de store, ubesvarte spørsmålene innenfor fysikken.

Universet er fullt av kosmisk stråling. Forskere kan måle strålingen her på jorda. Denne kosmiske strålingen består som oftest av elementærpartikler.

Men innimellom har kosmiske stråler mye høyere energi enn ellers. Vi har visst om dette siden 1962, men vi aner fremdeles ikke hvorfor.

Vi vet heller ikke hvor denne ultrahøy-energetiske kosmiske strålingen kommer fra. Eller gjør vi?

Supermassive svarte hull kan stå bak

Forsker Foteini Oikonomou jobber med saken. Hun er ansatt ved Institutt for fysikk på NTNU. I en ny vitenskapelig artikkel i tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society tar hun og kollegaer for seg en helt ny og mulig forklaring.

Vi mistenker at denne høyenergetiske strålingen skapes av vinder fra supermassive svarte hull.

Domenik Ehlert er forsker ved samme institutt. Med på laget er også Enrico Peretti ved Université Paris Cité. De jobber med astropartikkelfysikk, som tar for seg sammenhengen mellom de minste partiklene i universet og universets aller største fenomener.

– Vi mistenker at denne høyenergetiske strålingen skapes av vinder fra supermassive svarte hull, sier Oikonomou.

Så hva i all verden betyr nå det?

Aktive svarte hull skaper vinder

Melkeveien er nabolaget i universet der du og jeg bor. Vår sol og vårt solsystem er del av denne galaksen sammen med minst 100 milliarder andre stjerner.

Domenik Ehlert og Foteini Oikonomou foran en av de 1.600 overflatedetektorene som hører til Pierre Auger Ultra-high Energy Cosmic Ray Observatory i Malargue i Argentina. (Foto: Privat)

– Midt i Melkeveien finner vi et svart hull kalt Sagitarius-A*. Men for tida er dette svarte hullet i en rolig fase der det ikke spiser noen stjerner siden det ikke er nok materiale i nærheten, sier Peretti.

Dette står i kontrast til voksende, supermassive, aktive svarte hull som spiser opptil tilsvarende mange ganger vår egen sols masse hvert år. 

– En bitte liten del av materialet kan støtes vekk av kraften fra det svarte hullet før det blir trukket inn. På grunn av dette skaper rundt halvparten av disse supermassive svarte hullene vinder som beveger seg gjennom universet med opptil halvparten av lysets hastighet, sier Peretti.

Disse gigantiske vindene har vi visst om i rundt ti år. Vindene fra de svarte hullene påvirker galaksene. Ved å blåse vekk gasser kan de for eksempel hindre at nye stjerner danner seg. Dette er dramatisk nok, men Oikonomou og kollegene så altså på noe annet og mye mindre som disse vindene kan stå bak.

– Det kan være at disse kraftige vindene akselererer partiklene som skaper den ultrahøy-energetiske strålingen, sier Ehlert.

Men for å skjønne dette må vi si litt om atomer også.

Atomer og enorme energinivåer

Atomer består av en kjerne, som igjen er bygget opp av protoner og nøytroner. Disse partiklene er igjen bygget opp av kvarker, men det trenger vi ikke å bry oss om nå.

Rundt denne kjernen finner vi ett eller flere elektroner i en sky.

– Den ultrahøyenergetiske strålingen er protoner eller atomkjerner med energi på opptil 1.020 elektronvolt, sier Oikonomou.

Om det tallet ikke sier deg noe, skal du vite at det i denne sammenhengen er aldeles enormt mye.

Enrico Peretti. (Foto: Niels Bohr Institute)

– En slik partikkel, som er mindre enn et atom, inneholder omtrent like mye energi som en tennisball når Serena Williams server den i 200 kilometer i timen, sier Oikonomou.

Det tilsvarer også sånn omtrent en milliard ganger mer energi enn partiklene som forskerne skaper i Large Hadron Collider i Sveits og Frankrike.

Heldigvis blir disse kosmiske strålene ødelagt av jordens atmosfære. Når de når bakkenivå, er de like ufarlige som all den kosmiske strålingen vi mottar.

– Men for astronauter er kosmisk stråleskjerming et veldig alvorlig problem, sier Oikonomou.

Flymannskaper trenger ikke tenke på det fordi de ikke flyr så høyt.

– Men selv for astronauter er hovedbekymringen kosmiske lavenergistråler produsert av vår egen sol fordi de er mye hyppigere. Strålene vi studerer, er sjeldne nok til at det er ekstremt usannsynlig at de vil gå gjennom en astronaut, konstaterer hun.

Andre mistenkte

Tidligere har forskere sett på om disse høyenergetiske partiklene kommer fra utbrudd av gammastråling, fra galakser som skaper nye stjerner i ekstremt høyt tempo eller fra plasmastråler fra de supermassive svarte hullene.

Men Oikonomou og kolleger har altså en annen hypotese.

– Alle de andre hypotesene er svært gode gjetninger. Dette er kilder som inneholder mye energi. Men ingen har kommet med bevis for at noen av dem står bak. Derfor bestemte vi oss for å undersøke vindene fra de supermassive svarte hullene, sier Ehlert.

I midten av Melkeveien finner vi et sort hull selv om vi ikke kan observere det direkte i optiske teleskoper. Sorte hull kan stå bak et av de store mysteriene innenfor fysikken. (Illustrasjon: NASA/JPL-Caltech/Susan Stolovy)

Skyldig? Kanskje

Så hva vet vi nå? Er det vindene som skaper de høyenergetiske partiklene i den kosmiske strålingen?

– Vårt svar er et forsiktig «kanskje», sier Oikonomou.

– Vi finner at forhold knyttet til disse vindene, passer spesielt godt med partikkelakselerasjon. Men vi kan ennå ikke bevise at nettopp disse vindene akselererer partiklene bak den høyenergetiske kosmiske strålingen, slår hun fast.

Enrico Peretti. (Foto: Niels Bohr Institute)

Skjønt modellen de bruker, kan forklare én bestemt side ved disse partiklene som vi ennå ikke har forstått. Innenfor et bestemt energiområde har nemlig partiklene en kjemisk sammensetning som andre modeller ikke kan forklare på noen god måte.

– Vi kan også teste modellen ved hjelp av nøytrinoeksperimenter, sier Oikonomou.

Hun forteller at de i årene som kommer ønsker å samarbeide med nøytrinoastronomer for å teste hypotesen deres.

Kanskje kan de finne bevis da, den ene eller andre veien.

Referanse:

Domenik Ehlert, Foteini Oikonomou og Enrico Peretti: Ultra-high-energy cosmic rays from ultra-fast outflows of active galactic nuclei. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2025. Doi.org/10.1093/mnras/staf457