Fermi-mission forbinder nærliggende pulsarer gamma-ray halo til antistof-puslespil

NASAs Fermi Gamma-ray rumteleskop har opdaget et svagt, men vidtstrakt skær af højenergilys omkring en nærliggende pulsar. Hvis det er synligt for det menneskelige øje, denne gammastråle-"halo" ville virke omkring 40 gange større på himlen end en fuldmåne. Denne struktur kan give løsningen på et mangeårigt mysterium om mængden af ​​antistof i vores nabolag.

"Vores analyse tyder på, at denne samme pulsar kunne være ansvarlig for et årti langt puslespil om, hvorfor en type kosmisk partikel er usædvanligt rigelig nær Jorden, " sagde Mattia Di Mauro, en astrofysiker ved Catholic University of America i Washington og NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Dette er positroner, antistof-versionen af ​​elektroner, kommer fra et sted hinsides solsystemet."

Et papir, der beskriver resultaterne, blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang D den 17. december og er tilgængelig online.

En neutronstjerne er den knuste kerne, der efterlades, når en stjerne, der er meget mere massiv end Solen, løber tør for brændstof, kollapser under sin egen vægt og eksploderer som en supernova. Vi ser nogle neutronstjerner som pulsarer, hurtigt roterende objekter, der udsender lysstråler, meget som et fyrtårn, jævnligt feje over vores synsfelt.

Geminga (udtales geh-MING-ga), opdaget i 1972 af NASA's Small Astronomy Satellite 2, er blandt de lyseste pulsarer i gammastråler. Den er placeret omkring 800 lysår væk i stjernebilledet Tvillingerne. Gemingas navn er både en leg på sætningen "Tvillingernes gammastrålekilde" og udtrykket "det er der ikke" - der henviser til astronomers manglende evne til at finde objektet ved andre energier - på Milanos dialekt, Italien.

Geminga blev endelig identificeret i marts 1991, da flimrende røntgenstråler opfanget af Tysklands ROSAT-mission afslørede, at kilden var en pulsar, der snurrede 4,2 gange i sekundet.

En pulsar omgiver sig naturligt med en sky af elektroner og positroner. Dette skyldes, at neutronstjernens intense magnetfelt trækker partiklerne fra pulsarens overflade og accelererer dem til næsten lysets hastighed.

Elektroner og positroner er blandt de hurtige partikler kendt som kosmiske stråler, som stammer ud over solsystemet. Fordi kosmiske strålepartikler bærer en elektrisk ladning, deres stier bliver forvrænget, når de møder magnetiske felter på deres rejse til Jorden. Det betyder, at astronomer ikke direkte kan spore dem tilbage til deres kilder.

I det sidste årti, kosmiske strålemålinger af Fermi, NASA's Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) ombord på den internationale rumstation, og andre rumeksperimenter nær Jorden har set flere positroner ved høje energier, end forskerne forventede. Nærliggende pulsarer som Geminga var hovedmistænkte.

Derefter, i 2017, forskere med High-Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC) nær Puebla, Mexico, bekræftede tidligere jordbaserede detektioner af en lille gamma-strålehalo omkring Geminga. De observerede denne struktur ved energier fra 5 til 40 billioner elektronvolt - lys med billioner af gange mere energi, end vores øjne kan se.

Forskere mener, at denne emission opstår, når accelererede elektroner og positroner kolliderer med nærliggende stjernelys. Kollisionen booster lyset op til meget højere energier. Baseret på størrelsen af ​​haloen, HAWC-holdet konkluderede, at Geminga-positroner ved disse energier kun sjældent når Jorden. Hvis sandt, det ville betyde, at det observerede positronoverskud må have en mere eksotisk forklaring.

Men interessen for en pulsar oprindelse fortsatte, og Geminga var front og center. Di Mauro ledede en analyse af et årti af Geminga gammastråledata erhvervet af Fermis Large Area Telescope (LAT), som observerer lys med lavere energi end HAWC.

"For at studere haloen, vi var nødt til at trække alle andre kilder til gammastråler fra, inklusive diffust lys produceret af kosmiske strålekollisioner med interstellare gasskyer, " sagde medforfatter Silvia Manconi, en postdoc-forsker ved RWTH Aachen University i Tyskland. "Vi udforskede dataene ved hjælp af 10 forskellige modeller af interstellar emission."

Hvad der stod tilbage, da disse kilder blev fjernet, var et stort, aflang glød, der spænder omkring 20 grader på himlen ved en energi på 10 milliarder elektronvolt (GeV). Det svarer til størrelsen på det berømte Big Dipper-stjernemønster - og glorien er endnu større ved lavere energier.

"Partikler med lavere energi rejser meget længere fra pulsaren, før de løber ind i stjernelys, overføre en del af deres energi til det, og booste lyset til gammastråler. Dette er grunden til, at gammastråleemissionen dækker et større område ved lavere energier, " forklarede medforfatter Fiorenza Donato ved det italienske nationale institut for kernefysik og universitetet i Torino. "Også, Gemingas glorie er forlænget delvist på grund af pulsarens bevægelse gennem rummet."

Holdet fastslog, at Fermi LAT-dataene var kompatible med de tidligere HAWC-observationer. Geminga alene kunne være ansvarlig for så meget som 20% af de højenergipositroner, der ses af AMS-02-eksperimentet. Ekstrapolerer dette til den kumulative emission fra alle pulsarer i vores galakse, forskerne siger, at det er klart, at pulsarer fortsat er den bedste forklaring på positronoverskuddet.

"Vores arbejde viser vigtigheden af ​​at studere individuelle kilder for at forudsige, hvordan de bidrager til kosmiske stråler, " sagde Di Mauro. "Dette er et aspekt af det spændende nye felt kaldet multimessenger astronomi, hvor vi studerer universet ved hjælp af flere signaler, som kosmiske stråler, ud over lys."