Ikke så hurtigt, supernova:Kosmiske stråler med højeste energi detekteret i stjernehobe

I årtier, forskere antog, at de kosmiske stråler, der regelmæssigt bombarderer Jorden fra galaksens fjerne rækker, bliver født, når stjerner bliver supernova - når de vokser for massive til at understøtte fusionen, der sker i deres kerner, og eksploderer.

Disse gigantiske eksplosioner driver faktisk atompartikler frem med lysets hastighed over store afstande. Imidlertid, ny forskning tyder på, at selv supernovaer - der er i stand til at fortære hele solsystemer - ikke er stærke nok til at gennemsyre partikler med de vedvarende energier, der er nødvendige for at nå petaelectronvolts (PeVs), mængden af ​​kinetisk energi opnået af meget højenergiske kosmiske stråler.

Og alligevel er kosmiske stråler blevet observeret, der rammer Jordens atmosfære med præcis de hastigheder, deres passage markeret, for eksempel, ved detektionstankene ved High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) observatoriet nær Puebla, Mexico. I stedet for supernovaer, forskerne hævder, at stjernehobe som Cygnus Cocoon tjener som PeVatrons – PeV-acceleratorer – der er i stand til at flytte partikler hen over galaksen med så høje energihastigheder.

Deres paradigmeskiftende forskning giver overbevisende beviser for, at stjernedannende regioner er PeVatroner og er offentliggjort i to nyere artikler i Natur astronomi og Astrofysiske tidsskriftsbreve .

Et kendetegn ved fysikforskning er, hvor samarbejdende den er. Undersøgelsen blev udført af Petra Huentemeyer, professor i fysik ved Michigan Technological University, sammen med nyuddannet Binita Hona '20, doktorand Dezhi Huang, tidligere MTU postdoc Henrike Fleischhack (nu ved Catholic University/NASA GSFC/CREST II), Sabrina Casanova ved Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences i Krakow, Ke Fang ved University of Wisconsin og Roger Blanford i Stanford, sammen med talrige andre samarbejdspartnere fra HAWC Observatory.

Huentemeyer bemærkede, at HAWC og fysikere fra andre institutioner har målt kosmiske stråler fra alle retninger og på tværs af mange årtiers energi. Det handler om at spore de kosmiske stråler med den højeste kendte energi, PeVs, at deres oprindelse bliver så vigtig.

"Kosmiske stråler under PeV-energi menes at komme fra vores galakse, men spørgsmålet er, hvad er de acceleratorer, der kan producere dem, " sagde Huentemeyer.

Fleischhack sagde, at det paradigmeskift, forskerne har afsløret, er, at før, videnskabsmænd troede, at supernova-rester var de vigtigste acceleratorer for kosmiske stråler.

"De accelererer kosmiske stråler, men de er ikke i stand til at nå de højeste energier, " hun sagde.

Så, hvad driver kosmiske strålers acceleration til PeV-energi?

"Der har været flere andre hints om, at stjernehobe kunne være en del af historien, " sagde Fleischhack. "Nu får vi bekræftet, at de er i stand til at gå til højeste energier."

Stjernehobe er dannet ud fra resterne af en supernovabegivenhed. Kendt som stjernevugger, de indeholder voldsomme vinde og skyer af hvirvlende snavs – såsom dem, der blev bemærket af forskerne i Cygnus OB2 og cluster [BDS2003]8. Inde, flere typer af massive stjerner kendt som spektral type O og type B stjerner er samlet i hundredvis i et område omkring 30 parsecs (108 lysår) på tværs.

"Spektral type O stjerner er de mest massive, " sagde Hona. "Når deres vinde interagerer med hinanden, chokbølger dannes, det er der, hvor accelerationen sker."

Forskernes teoretiske modeller tyder på, at de energiske gammastrålefotoner, der ses af HAWC, mere sandsynligt produceres af protoner end af elektroner.

"Vi vil bruge NASA-teleskoper til at søge efter modstykkets emission fra disse relativistiske partikler ved lavere energier, " sagde Fang.

Den ekstremt høje energi, hvormed kosmiske stråler når vores planet, er bemærkelsesværdig. Specifikke betingelser er nødvendige for at accelerere partikler til sådanne hastigheder.

Jo højere energi, jo sværere er det at begrænse partiklerne – viden hentet fra partikelacceleratorer her på Jorden i Chicago og Schweiz. For at forhindre partikler i at suse væk, magnetisme er påkrævet.

Stjernehobe – med deres blanding af vind og begyndende, men kraftige stjerner – er turbulente områder med forskellige magnetfelter, der kan give den indeslutning, der er nødvendig for, at partikler kan fortsætte med at accelerere.

"Supernova-rester har meget hurtige stød, hvor den kosmiske stråle kan accelereres; dog, de har ikke den type lange indespærringsområder, " sagde Casanova. "Det er hvad stjernehobe er nyttige til. De er en sammenslutning af stjerner, der kan skabe forstyrrelser, der begrænser de kosmiske stråler og gør det muligt for stødene at accelerere dem."

Men hvordan er det muligt at måle atomare interaktioner på en galaktisk skala 5, 000 lysår fra Jorden? Forskerne brugte 1, 343 dages målinger fra HAWC detektionstanke.

Huang forklarede, hvordan fysikerne på HAWC sporer kosmiske stråler ved at måle de gammastråler, disse kosmiske stråler producerer på galaktiske accelerationssteder:"Vi målte ikke gammastråler direkte; vi målte de sekundære stråler, der blev genereret. Når gammastråler interagerer med atmosfæren, de genererer sekundære partikler i partikelbyger."

"Når der registreres partikelbyger ved HAWC, vi kan måle bruseren og ladningen af ​​sekundære partikler, Huang sagde. "Vi bruger partikelladning og tidsinformation til at rekonstruere information fra det primære gamma."

Ud over HAWC, forskerne planlægger at arbejde med Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO), et observatorium, der i øjeblikket er i planlægningsfasen, som vil indeholde Cherenkov-lysdetektorer som HAWC, men som vil blive placeret på den sydlige halvkugle.

"Det ville være interessant at se, hvad vi kan se på den sydlige halvkugle, " sagde Huentemeyer. "Vi vil have en god udsigt over det galaktiske center, som vi ikke har på den nordlige halvkugle. SWGO kunne give os mange flere kandidater med hensyn til stjernehobe."

Fremtidige samarbejder på tværs af halvkugler lover at hjælpe videnskabsmænd over hele verden med at fortsætte med at udforske oprindelsen af ​​kosmiske stråler og lære mere om selve galaksen.