In een golf van persberichten, verlichten de nieuwste onderzoeken uitgevoerd door NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope de wereld van deeltjesastrofysica met het nieuws over hoe supernovae de voorloper van kosmische straling zouden kunnen zijn. De rest zijn elektronen en atoomkernen. Wanneer ze een magnetisch veld tegenkomen, veranderen hun paden als een botsauto in een pretpark, maar het is niet grappig om hun oorsprong niet te kennen. Vier jaar hard werk van wetenschappers van het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology van het Department of Energy’s (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory heeft zijn vruchten afgeworpen. Er zijn aanwijzingen hoe kosmische straling wordt geboren.
"De energieën van deze protonen gaan veel verder dan wat de krachtigste deeltjesbotsers op aarde kunnen produceren", zegt Stefan Funk, astrofysicus bij het Kavli Institute en Stanford University, die de analyse leidde. "In de afgelopen eeuw hebben we veel geleerd over kosmische straling als ze hier aankomen. We hadden zelfs sterke vermoedens over de bron van hun versnelling, maar tot voor kort hadden we geen ondubbelzinnig bewijs om ze te ondersteunen. "
Tot nu toe waren wetenschappers niet zeker over bepaalde bijzonderheden, zoals welke atoomdeeltjes verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor de emissies van interstellair gas. Om hun onderzoek te ondersteunen, hebben ze een paar gammastraal-emitterende supernova-resten van dichtbij bekeken - bekend als IC 443 en W44. Waarom de tegenstrijdigheid? In dit geval delen gammastralen vergelijkbare energieën met protonen en elektronen van kosmische straling. Om ze te onderscheiden, hebben onderzoekers de neutrale pion ontdekt, het product van protonen van kosmische straling die normale protonen beïnvloeden. Wanneer dit gebeurt, vervalt de pion snel in een reeks gammastralen, waardoor een kenmerkende daling overblijft - een die bewijs levert in de vorm van protonen. De protonen zijn gemaakt in een proces dat bekend staat als Fermi Acceleration en blijven gevangen in het snel bewegende schokfront van de supernova en worden niet beïnvloed door magnetische velden. Dankzij deze eigenschap konden de astronomen ze rechtstreeks tot hun bron herleiden.
"De ontdekking is het rokende wapen dat deze twee supernovarestanten versnelde protonen produceren", zegt hoofdonderzoeker Stefan Funk, astrofysicus bij het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology aan de Stanford University in Californië. "Nu kunnen we werken om beter te begrijpen hoe ze deze prestatie beheren en om te bepalen of het proces hetzelfde is voor alle overblijfselen waar we gammastraling zien."
Zijn het kleine speedsters? Zeker weten. Elke keer dat het deeltje het schokfront passeert, wint het ongeveer 1% meer snelheid - uiteindelijk genoeg om los te komen als kosmische straling. 'Astronauten hebben gedocumenteerd dat ze lichtflitsen zien die geassocieerd worden met kosmische straling', merkte Funk op. "Het is een van de redenen waarom ik hun moed bewonder - de omgeving is echt best moeilijk." De volgende stap in dit onderzoek, voegde Funk eraan toe, is om de exacte details van het versnellingsmechanisme te begrijpen en ook de maximale energieën waarnaar supernovaresten protonen kunnen versnellen.
De studies houden daar echter niet op. Meer nieuw bewijs van supernova-overblijfselen die als deeltjesversnellers werken, kwam naar voren tijdens zorgvuldige observationele analyse door de Servische astronoom Sladjana Nikolic (Max Planck Institute for Astronomy). Ze keken naar de samenstelling van het licht. Nikolic legt uit: “Dit is de eerste keer dat we de microfysica in en rond de schokregio in detail konden bekijken. We vonden bewijs voor een precursorgebied direct voor de schok, waarvan wordt aangenomen dat het een voorwaarde is voor de productie van kosmische straling. Ook wordt het voorlopergebied verwarmd op de manier zoals je zou verwachten als er protonen zouden zijn die energie uit het gebied direct achter de schok wegvoeren. ”
Nikolic en haar collega's gebruikten de spectrograaf VIMOS van de Very Large Telescope van de European Southern Observatory in Chili om een kort deel van het schokfront van de supernova SN 1006 te observeren en te documenteren. Deze nieuwe techniek staat bekend als integrale veldspectroscopie - een eerste proces waarmee astronomen de samenstelling van het licht van het supernovarestant grondig kunnen onderzoeken. Kevin Heng van de Universiteit van Bern, een van de begeleiders van Nikolic's doctoraatswerk, zegt: “We zijn bijzonder trots op het feit dat we erin geslaagd zijn om integrale veldspectroscopie op een nogal onorthodoxe manier te gebruiken, aangezien het gewoonlijk wordt gebruikt voor de studie van sterrenstelsels met hoge roodverschuiving. Hiermee hebben we een nauwkeurigheid bereikt die ver boven alle eerdere studies uitsteekt. ”
Het is echt een intrigerende tijd om supernova-overblijfselen van dichterbij te bekijken, vooral met betrekking tot kosmische straling. Nikolic legt uit: “Dit was een proefproject. De emissies die we hebben waargenomen van het supernovarest, zijn heel erg zwak vergeleken met de gebruikelijke doelobjecten voor dit type instrument. Nu we weten wat mogelijk is, is het heel spannend om na te denken over vervolgprojecten. " Glenn van de Ven van het Max Planck Instituut voor Astronomie, Nikolic's andere copromotor en een expert in integrale veldspectroscopie, voegt toe: “Dit soort nieuwe observatiebenadering zou wel eens de sleutel kunnen zijn om de puzzel op te lossen van hoe kosmische straling wordt geproduceerd in supernova-restanten. '
Directeur van het Kavli-instituut, Roger Blandford, die deelnam aan de Fermi-analyse, zei: "Het is passend dat zo'n duidelijke demonstratie die laat zien dat supernovaresten de kosmische straling versnellen, kwam toen we de honderdste verjaardag van hun ontdekking vierden. Het maakt duidelijk hoe snel onze ontdekkingsmogelijkheden toenemen. '
Originele verhaalbronnen en verder lezen: nieuwe benadering in de jacht op kosmische deeltjesversneller, NASA's Fermi bewijst Supernova-restanten produceren kosmische stralen en bewijs: kosmische stralen komen van exploderende sterren.
