Gamma-stråleteleskoper afslører en højenergifælde i vores galaksecenter

En kombineret analyse af data fra NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope og High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), et jordbaseret observatorium i Namibia, antyder, at midten af ​​vores Mælkevej indeholder en "fælde", der koncentrerer nogle af de kosmiske stråler med højeste energi, blandt de hurtigste partikler i galaksen.

"Vores resultater tyder på, at de fleste af de kosmiske stråler, der befolker det inderste område af vores galakse, og især de mest energiske, produceres i aktive områder uden for det galaktiske centrum og senere bremses der gennem interaktioner med gasskyer, " sagde hovedforfatter Daniele Gaggero ved Universitetet i Amsterdam. "Disse interaktioner producerer meget af gamma-stråleemissionen observeret af Fermi og H.E.S.S."

Kosmiske stråler er højenergipartikler, der bevæger sig gennem rummet med næsten lysets hastighed. Omkring 90 procent er protoner, med elektroner og kernerne af forskellige atomer, der udgør resten. På deres rejse gennem galaksen, disse elektrisk ladede partikler påvirkes af magnetiske felter, som ændrer deres veje og gør det umuligt at vide, hvor de stammer fra.

Men astronomer kan lære om disse kosmiske stråler, når de interagerer med stof og udsender gammastråler, den højeste energiform for lys.

I marts 2016 forskere med H.E.S.S. Samarbejde rapporterede gammastrålebevis på den ekstreme aktivitet i det galaktiske center. Holdet fandt et diffust skær af gammastråler, der nåede næsten 50 billioner elektronvolt (TeV). Det er omkring 50 gange større end gammastråleenergierne observeret af Fermis Large Area Telescope (LAT). For at sætte disse tal i perspektiv, energien af ​​synligt lys varierer fra omkring 2 til 3 elektronvolt.

Fermi-rumfartøjet registrerer gammastråler, når de kommer ind i LAT. På jorden, H.E.S.S. registrerer emissionen, når atmosfæren absorberer gammastråler, som udløser en kaskade af partikler, hvilket resulterer i et blåt lys.

I en ny analyse, offentliggjort 17. juli i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve , et internationalt hold af videnskabsmænd kombinerede lavenergi-LAT-data med højenergi-H.E.S.S. observationer. Resultatet var et kontinuerligt gammastrålespektrum, der beskriver den galaktiske centeremission over et tusindfold energispænd.

"Når vi fratrak lyspunktkilder, vi fandt god overensstemmelse mellem LAT og H.E.S.S. data, hvilket var noget overraskende på grund af de forskellige energivinduer og observationsteknikker, der blev brugt, " sagde medforfatter Marco Taoso ved Instituttet for Teoretisk Fysik i Madrid og Italiens Nationale Institut for Kernefysik (INFN) i Torino.

Denne aftale indikerer, at den samme population af kosmiske stråler - for det meste protoner - som findes i resten af ​​galaksen, er ansvarlig for gammastråler observeret fra det galaktiske centrum. Men den højeste energiandel af disse partikler, dem der når 1, 000 TeV, bevæger sig gennem området mindre effektivt, end de gør alle andre steder i galaksen. Dette resulterer i en gammastråleglød, der strækker sig til de højeste energier H.E.S.S. observeret.

"De mest energiske kosmiske stråler bruger mere tid i den centrale del af galaksen end tidligere antaget, så de gør et stærkere indtryk i gammastråler, " sagde medforfatter Alfredo Urbano ved European Organisation for Nuclear Research (CERN) i Genève og INFN Trieste.

Denne effekt er ikke inkluderet i konventionelle modeller af, hvordan kosmiske stråler bevæger sig gennem galaksen. Men forskerne viser, at simuleringer, der inkorporerer denne ændring, viser endnu bedre overensstemmelse med Fermi-data.

"De samme halsbrækkende partikelkollisioner, der er ansvarlige for at producere disse gammastråler, burde også producere neutrinoer, den hurtigste, letteste og mindst forståede fundamentale partikler, " sagde medforfatter Antonio Marinelli fra INFN Pisa. Neutrinoer rejser direkte til os fra deres kilder, fordi de næsten ikke interagerer med andet stof, og fordi de ikke bærer nogen elektrisk ladning, så magnetiske felter ikke svajer dem.

"Eksperimenter som IceCube i Antarktis opdager højenergiske neutrinoer fra hinsides vores solsystem, men at finde deres kilder er meget sværere, " sagde Regina Caputo, et Fermi-teammedlem ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Opdagelserne fra Fermi og H.E.S.S. tyder på, at det galaktiske center kunne detekteres som en stærk neutrinokilde i den nærmeste fremtid, og det er meget spændende."