Astronomen hebben naar een pulsar in de buurt gekeken met een vreemde halo eromheen. Die pulsar zou een vraag kunnen beantwoorden waar astronomen al geruime tijd over nadenken. De pulsar wordt Geminga genoemd en is een van de dichtstbijzijnde pulsars op aarde, op ongeveer 800 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Tweelingen. Het is niet alleen dicht bij de aarde, maar Geminga is ook erg helder in gammastraling.
De halo zelf is natuurlijk onzichtbaar voor onze ogen, omdat deze zich in de gammagolflengten bevindt. (NASA's Fermi Gamma-ray ruimtetelescoop ontdekte het.) Maar het is groot en beslaat een groot deel van de hemel als 40 volle manen.
De halo kan verantwoordelijk zijn voor een aantal gebeurtenissen in onze eigen buurt: er is een overvloed aan anti-materie in de buurt van de aarde en de aanwezigheid ervan heeft wetenschappers al tien jaar in verwarring gebracht.
"Onze analyse suggereert dat deze zelfde pulsar verantwoordelijk zou kunnen zijn voor een puzzel van tien jaar over waarom één type kosmisch deeltje ongewoon veel voorkomt in de buurt van de aarde", zegt Mattia Di Mauro, een astrofysicus aan de Katholieke Universiteit van Amerika in Washington en de Goddard Space van NASA Flight Center in Greenbelt, Maryland. 'Dit zijn positronen, de antimaterie-versie van elektronen, die ergens buiten het zonnestelsel vandaan komen.'
Een pulsar is het overblijfsel van een massieve ster die supernova is geworden. Geminga is het resultaat van een supernova-explosie ongeveer 300.000 jaar geleden in het sterrenbeeld Tweelingen. Het is een roterende neutronenster die op een bepaalde manier naar de aarde is gericht, zodat zijn energie als een vegende vuurtoren op ons wordt gericht.
Een pulsar wordt van nature omgeven door een wolk van zowel elektronen als positronen. Dat komt omdat een neutronenster een intens elektromagnetisch veld heeft, het sterkste van alle bekende objecten. Het supersterke veld trekt de deeltjes van het oppervlak van de pulsar en versnelt ze tot bijna de lichtsnelheid.
Deze snel bewegende deeltjes, inclusief elektronen en hun antimaterie-tegenhangers, positronen, zijn kosmische straling. Omdat kosmische straling een elektrische lading draagt, zijn ze onderhevig aan de effecten van magnetische velden. Dus tegen de tijd dat kosmische straling de aarde bereikt, kunnen astronomen hun bron niet vaststellen.
In de afgelopen tien jaar hebben verschillende observatoria en experimenten meer hoogenergetische positronen in onze omgeving gedetecteerd dan verwacht. NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope, NASA's Alpha Magnetic Spectrometer en andere experimenten hebben ze allemaal gedetecteerd. Wetenschappers verwachtten dat pulsars in de buurt, waaronder Geminga, de bron zouden zijn. Maar vanwege de manier waarop die positronen worden beïnvloed door magnetische velden, kon het niet worden bewezen.
Tot 2017.
In dat jaar bevestigde de High-Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC) wat sommige gronddetecties hadden gevonden: een kleine maar intense gammastraal-halo rond Geminga. De HAWC detecteerde energieën in de halostructuur van 5 - 40 TeV of Tera-electron Volt. Dat is licht met biljoenen keer meer energie dan onze ogen kunnen zien.
Aanvankelijk dachten wetenschappers dat de hoogenergetische halo wordt veroorzaakt door versnelde elektronen en positronen die botsen met sterrenlicht, wat hun energie zou stimuleren en ze superhelder zou maken. Wanneer een geladen deeltje een deel van zijn energie overdraagt aan een foton, wordt dat Inverse-Compton-verstrooiing genoemd.
Maar het team dat HAWC gebruikte om Geminga en zijn halo te observeren, kwam tot een conclusie: die hoogenergetische positronen bereikten de aarde slechts zelden, gebaseerd op de grootte van de halo. Er moest dus een andere verklaring zijn voor de overvloed aan positronen bij de aarde.
Wetenschappers die de aanwezigheid van positronen in de buurt van de aarde bestuderen, hebben de pulsars nog niet van hun lijst gehaald. En als een hechte en heldere pulsar trok Geminga nog steeds hun interesse.
Mattia Di Mauro leidde een klein team van wetenschappers die tien jaar lang Geminga-gegevens bestudeerden van Fermi's Large Area Telescope (LAT.) LAT neemt licht met een lagere energie waar dan HAWC. Di Mauro is de hoofdauteur van een nieuwe studie waarin deze bevindingen worden gepresenteerd. De studie is getiteld "Detectie van een? -Ray halo rond Geminga met de Fermi-LAT-gegevens en implicaties voor de positronflux." Het artikel is gepubliceerd in Physics Review.
Een van de co-auteurs van het artikel is Silvia Manconi, een postdoctoraal onderzoeker aan de RWTH Aachen University in Duitsland. In een persbericht zei Manconi: “Om de halo te bestuderen, moesten we alle andere bronnen van gammastraling aftrekken, inclusief diffuus licht dat wordt geproduceerd door botsingen van kosmische straling met interstellaire gaswolken. We hebben de gegevens onderzocht met behulp van tien verschillende modellen van interstellaire emissie. '
Zodra het team alle andere bronnen van gammastralen aan de hemel had afgetrokken, onthulden de gegevens een enorme langwerpige structuur; een halo rond Geminga. De hoogenergetische structuur bedekte 20 graden aan de hemel bij 20 miljard elektronvolt en een nog groter gebied bij lagere energieën.
Medeauteur van de studie Fiorenza Donato is van het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica en de Universiteit van Turijn. In het persbericht zei Donato: 'Deeltjes met een lagere energie reizen veel verder van de pulsar af voordat ze in het sterlicht terechtkomen, een deel van hun energie erop overdragen en het licht versterken tot gammastraling. Daarom bestrijkt de gammastraling-emissie een groter gebied bij lagere energieën, ”legt Donato uit. "Ook is de halo van Geminga langwerpig, deels vanwege de beweging van de pulsar door de ruimte."
Het team vergeleek de LAT-gegevens met de HAWC-gegevens en kwam tot de conclusie dat de gegevenssets overeenkwamen. Ze ontdekten ook dat heldere, nabijgelegen Geminga verantwoordelijk zou kunnen zijn voor maar liefst 20% van de hoogenergetische positronen die het AMS-02-experiment waarnam. Daaruit extrapolerend naar alle cumulatieve pulsaire emissies in de Melkweg, zegt het team dat pulsars de beste verklaring blijven voor het oorspronkelijke mysterie: de bron van al die positronen nabij de aarde.
"Ons werk toont het belang aan van het bestuderen van individuele bronnen om te voorspellen hoe ze bijdragen aan kosmische straling", zei Di Mauro. "Dit is een aspect van het opwindende nieuwe veld genaamd multimessenger-astronomie, waar we het heelal bestuderen met behulp van meerdere signalen, zoals kosmische straling, naast licht."
Meer:
- Persbericht: NASA's Fermi Mission Links in de buurt van Pulsar's Gamma-ray 'Halo' naar Antimatter Puzzle
- Research Paper: Detectie van een? -Ray halo rond Geminga met de Fermi-LAT-gegevens en implicaties voor de positronflux
- Wikipedia: Compton-verstrooiing
