Izvor kozmičnih delcev ekstremnih energij

Kozmični delci ekstremnih energij so delci, ki prispejo na Zemljo iz vesolja z najvišjimi do zdaj detektiranimi energijami. Njihov izvor še ni znan. Ker na tisočletje kvadratni kilometer Zemljine površine zadene manj kot en takšen delec, jih lahko zaznavamo le posredno prek njihovih interakcij z Zemljino atmosfero. Pri trkih z molekulami zraka kozmični delci ustvarijo obsežne plazove nabitih visoko-energijskih delcev, ki skoraj istočasno padejo na tla. Plazovi delcev navadno pokrivajo več deset kvadratnih kilometrov površine Zemlje. Na Univerzi v Novi Gorici od leta 1999 sodelujemo v kolaboraciji Pierre Auger. Za detekcijo kozmičnih delcev ekstremnih energij kolaboracija upravlja observatorij, ki se razteza na 3.000 kvadratnih kilometrih v pokrajini Mendoza v Argentini. Observatorij omogoča meritve vpadne smeri delcev, njihove pogostosti in energije. Center za astrofiziko in kozmologijo je vključen v obdelavo in interpretacijo podatkov, sodelujemo pri razvoju in upravljanju atmosferskih merilnih mest, razvoju porazdeljenega računskega sistema GRID in proučevanju efekta kozmičnih magnetnih polj na tirnice kozmičnih delcev ekstremnih energij.

Aktivna galaktična jedra

Novejši rezultati meritev kozmičnih žarkov (CR) ultra-visokih energij (UHE, ≥10 EeV) podpirajo konvencionalne scenarije njihove tvorbe v astrofizikalnih objektih. Izraziti izhodni curki aktivnih galaktičnih jeder (AGN) zagotavljajo ustrezne pogoje za pospeševanje nabitih osnovnih delcev do najvišjih energij in so zato eni izmed najperspektivnejših kandidatov za izvore izmerjenega fluksa UHECR na Zemeljskem površju. Nabiti CR žal ne nosijo neposredne informacije o smeri njihovih izvorov zaradi odklonov v kozmičnih magnetnih poljih. Med pospeševanjem UHECR se v hadronskih interakcijah tvorijo tudi fotoni in nevtrini, delci brez naboja, ki pa se ne odklanjajo in zato nosijo informacije o smeri izvora CR na nebu in fizikalnih pogojih na mestu njihove tvorbe.

V mednarodno vpetih raziskavah, ki jih izvajamo v sodelovanju z Univerzo v Innsbrucku (Avstrija) ter partnerji iz Italije (Astronomical Observatory of Brera/INAF, University of Siena) in Poljske (University of Lodz), razvili smo izvirno metodo za določanje prispevka aktivnih galaksij s curki k fluksu UHECR. Zastavljene raziskovalne cilje dosežemo z uporabo podatkov iz detektorjev za meritve različnih vrst delcev, vključno s fotoni različnih valovnih dolžin (t.i. multi-messenger in multi-wavelength pristopi). Podatki vključujejo: 1) meritve UHECR z Observatorijem Pierre Auger (PAO), 2) meritve visoko- (HE, ≥ 100 MeV) in zelo visoko-energijske (VHE, ≥ 30 GeV) emisije gama žarkov, ter 3) meritve VHE nevtrinov. Za študij emisije gama žarkov uporabljamo satelit Fermi-LAT (območje HE) in detektorje žarkov gama na zemeljskem površju (območje VHE), za študij VHE nevtrinov pa observatorij IceCube.

V tem postopku smo bližnja (<200 Mpc) AGN najprej razvrstili glede na njihovo sposobnost pospeševanja UHECR na podlagi večvalovnih meritev njihovega elektro-magnetnega spektra in rezultatov emisijskih modelov. S tem smo sestavili seznam AGN, ki so primerni kandidati za izvore UHECR. Na tem raziskovalnem koraku dokazali smo, da so nedavno odkrite Fanaroff-Riley radiogalaksije relativno majhne svetilnosti, vendar številne objekte t.i. vrste FR0 dobri kandidati za prispevanje k fluksu UHECR.

Ker podatki PAO kažejo na prisotnost težkih jeder v delčni sestavi fluksa kozmičnih žarkov pri ekstremnih energijah, Avstrijski sodelavci dopolnijo najsodobnejše modele emisije AGN, ki so jih že razvili, z vključitvijo težjih jeder v proces injekcije, transporta in sevalnih izgub. Na podlagi seznama AGN, primernih za izvore UHECR, Slovenski raziskovalci izvedemo Monte Carlo simulacije širjenja UHECR od izvorov do Zemlje za različne konfiguracije kozmičnih magnetnih polj. Rezultate simulacij – spektre, delčno sestavo in smeri prihoda kozmičnih delcev na Zemlji – primerjamo z rezultati meritev observatorijev Pierre Auger in Telescope Array in raziskujemo korelacije med njimi. Simulacije pa spremne emisije sekundarnih fotonov in nevtrinov primerjamo z podatki Fermi-LAT in IceCube. Nazadnje bomo napovedali značilne lastnosti, ki naj bi jih imeli UHECR, pospešeni v curkih AGN. Te napovedi bomo kasneje preverili z meritvami na bodočem observatoriju Cherenkov Telescope Array (CTA).