Årtiers jagt opdager fodaftryk af kosmiske stråle-superacceleratorer i vores galakse

Et enormt teleskopkompleks i Tibet har fanget det første bevis på ultrahøjenergi gammastråler spredt over Mælkevejen. Resultaterne er bevis på, at uopdagede stjerneacceleratorer fjerner kosmiske stråler, som har svævet rundt i vores galakse i millioner af år. Forskningen skal publiceres i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve på mandag, 5. april.

"Vi fandt 23 ultrahøj-energi kosmiske gammastråler langs Mælkevejen, " sagde Kazumasa Kawata, en medforfatter fra University of Tokyo. "Den højeste energi blandt dem svarer til en verdensrekord:næsten en petaelectron volt."

Det er tre størrelsesordener større end nogen kendt kosmisk-stråle-induceret gammastråle - eller nogen partikel mennesker har accelereret i state-of-the-art laboratorier på Jorden.

Siden 1990, snesevis af forskere fra Kina og Japan har jagtet efter de uhåndgribelige højenergiske kosmiske gammastråler. Tibet ASγ-samarbejdet gjorde sin opdagelse ved hjælp af næsten 70, 000 kvadratmeter jordarrays og underjordiske myondetektorer på det tibetanske plateau, sidder mere end 14, 000 fod over havets overflade.

"Forskere mener, at højenergi-gammastråler kan produceres af den nukleare interaktion mellem højenergi-kosmiske stråler, der undslipper fra de mest kraftfulde galaktiske kilder og interstellar gas i Mælkevejen, " sagde Huang Jing, en medforfatter fra Institute of High Energy Physics, kinesiske videnskabsakademi.

Chen Ding fra National Astronomical Observatories, det kinesiske videnskabsakademi, en anden medforfatter, tilføjet, "Detektionen af ​​diffuse gammastråler over 100 teraelektronvolt er en nøgle til at forstå oprindelsen af ​​meget højenergiske kosmiske stråler, som har været et mysterium siden deres opdagelse i 1912."

Balloneksperimenter identificerede først kosmiske stråler, afslørede, at de var en nøglekilde til stråling på Jorden. Kosmiske stråler er meget energiske partikler, mest protoner, der rejser på tværs af rummet. Millioner af disse partikler passerer gennem din krop hver dag. (De menes at være harmløse.)

Men hvor kommer kosmiske stråler fra?

"Vi lever sammen med kosmiske strålemuoner, selvom vi normalt ikke er følsomme over for dem, " sagde Kawata. "Er det ikke en fantasi at tænke på, hvor og hvordan disse kosmiske stråler produceres og accelereres, rejser hele vejen til Jorden?"

En populær teori hævder, at acceleratorer kendt som "PeVatrons" udsender kosmiske stråler med energier op til en petaelectron volt (PeV). Mulige PeVatroner inkluderer supernovaeksplosioner, stjernedannende områder, og det supermassive sorte hul i midten af ​​vores galakse.

Indtil nu, ingen har opdaget sådanne acceleratorer. Hvis der findes PeVatrons, deres kosmiske stråler skulle efterlade spor af glødende gammastråler spredt ud over galaksen. Den nye undersøgelse rapporterer det første bevis på denne meget energiske dis.

"Disse gammastråler pegede ikke tilbage til de mest kraftfulde kendte højenergi-gammastrålekilder, men spredt ud langs Mælkevejen, " sagde Masato Takita, en medforfatter og kollega til Kawata. "Vores opdagelse bekræfter beviser for eksistensen af ​​PeVatrons."

Forskerne ønsker nu at afgøre, om de sandsynlige PeVatroner er aktive eller døde.

"Fra døde PeVatrons, som er uddøde som dinosaurer, vi kan kun se fodsporet - de kosmiske stråler, de producerede over et par millioner år, spredt over den galaktiske skive, " sagde Takita.

"Men hvis vi kan finde rigtige, aktive PeVatroner, vi kan studere mange flere spørgsmål, " sagde han. "Hvilken type stjerne udsender vores sub-PeV gammastråler og relaterede kosmiske stråler? Hvordan kan en stjerne accelerere kosmiske stråler op til PeV-energier? Hvordan forplanter strålerne sig inde i vores galaktiske skive?"

Andre fremtidige retninger inkluderer at lede efter PeVatron-fodspor på den sydlige halvkugle og bekræfte gammastråleresultaterne ved hjælp af neutrino-detektorer i Antarktis og videre.

Forskningen kunne også hjælpe i jagten på mørkt stof. Underjordiske detektorer gjorde det muligt for forskerne at fjerne kosmisk strålebaggrundsstøj, afslører den slags ren, diffuse gammastråler forudsagt at komme fra mørkt stof.

"Vi kan reducere den kosmiske strålebaggrund med en faktor på en million. Så ser vi en gammastrålehimmel med høj renhed, " sagde Takita.

Den eksperimentelle præstation flytter fysikere væsentligt tættere på at opdage, hvor kosmiske stråler er født.

"Dette banebrydende arbejde åbner et nyt vindue for udforskningen af ​​det ekstreme univers, " sagde Huang. "De observationsbeviser markerer en vigtig milepæl i retning af at afsløre kosmiske strålers oprindelse, som har undret menneskeheden i mere end et århundrede."