Ny forskning tilføjer en rynke til vores forståelse af stoffets oprindelse i Mælkevejen

Nye resultater offentliggjort i denne uge i Fysiske anmeldelsesbreve foreslår, at kulstof, ilt, og brint kosmiske stråler rejser gennem galaksen mod Jorden på lignende måde, men, overraskende, at jern kommer anderledes til Jorden. At lære mere om, hvordan kosmiske stråler bevæger sig gennem galaksen, hjælper med at løse en grundlæggende, dvælende spørgsmål i astrofysikken:Hvordan genereres og fordeles stof over universet?

"Så hvad betyder dette fund?" spørger John Krizmanic, en seniorforsker ved UMBC's Center for Space Science and Technology (CSST). "Dette er indikatorer på, at noget interessant sker. Og hvad det interessante er, vi bliver nødt til at se."

Kosmiske stråler er atomkerner - atomer strippet for deres elektroner - som konstant suser gennem rummet med næsten lysets hastighed. De kommer ind i Jordens atmosfære ved ekstremt høje energier. Oplysninger om disse kosmiske stråler kan give videnskabsmænd fingerpeg om, hvor de kom fra i galaksen, og hvilken slags begivenhed der genererede dem.

Et instrument på den internationale rumstation (ISS) kaldet Calorimetric Electron Telescope (CALET) har indsamlet data om kosmiske stråler siden 2015. Dataene omfatter detaljer som hvor mange og hvilke slags atomer der ankommer, og hvor meget energi de ankommer med. den amerikanske, italiensk, og japanske hold, der administrerer CALET, herunder UMBC's Krizmanic og postdoc Nick Cannady, samarbejdet om den nye forskning.

Jern på farten

Kosmiske stråler ankommer til Jorden fra andre steder i galaksen med et stort udvalg af energier - alt fra 1 milliard volt til 100 milliarder milliarder volt. CALET-instrumentet er et af ekstremt få i rummet, der er i stand til at levere fine detaljer om de kosmiske stråler, det registrerer. En graf kaldet et kosmisk strålespektrum viser, hvor mange kosmiske stråler der ankommer til detektoren på hvert energiniveau. Spektrene for kulstof, ilt, og brint kosmiske stråler er meget ens, men det vigtigste resultat fra det nye papir er, at spektret for jern er væsentligt anderledes.

Der er flere muligheder for at forklare forskellene mellem jern og de tre lettere elementer. De kosmiske stråler kunne accelerere og rejse gennem galaksen anderledes, selvom videnskabsmænd generelt tror, ​​de forstår det sidste, Krizmanic siger.

"Noget, der skal understreges, er, at måden elementerne kommer fra kilderne til os på er anderledes, men det kan være, at kilderne også er forskellige, " tilføjer Michael Cherry, fysikprofessor emeritus ved Louisiana State University (LSU) og medforfatter på det nye papir. Forskere tror generelt, at kosmiske stråler stammer fra eksploderende stjerner (supernovaer), men neutronstjerner eller meget massive stjerner kunne være andre potentielle kilder.

Præcision på næste niveau

Et instrument som CALET er vigtigt for at besvare spørgsmål om, hvordan kosmiske stråler accelererer og bevæger sig, og hvor de kommer fra. Instrumenter på jorden eller balloner fløjet højt i jordens atmosfære var den vigtigste kilde til kosmiske stråledata i fortiden. Men når kosmiske stråler når disse instrumenter, de har allerede interageret med Jordens atmosfære og nedbrudt til sekundære partikler. Med jordbaserede instrumenter, det er næsten umuligt at identificere præcist hvor mange primære kosmiske stråler og hvilke elementer der ankommer, plus deres energier. Men CALET, at være på ISS over atmosfæren, kan måle partiklerne direkte og skelne de enkelte elementer præcist.

Jern er et særligt nyttigt element at analysere, forklarer Cannady, en postdoc med CSST og en tidligere ph.d. studerende hos Cherry på LSU. På vej til Jorden, kosmiske stråler kan nedbrydes til sekundære partikler, og det kan være svært at skelne mellem originale partikler udstødt fra en kilde (som en supernova) og sekundære partikler. Det komplicerer konklusioner om, hvor partiklerne oprindeligt kom fra.

"Når tingene interagerer på vej til os, så får du i det væsentlige konverteringer fra et element til et andet, " siger Cannady. "Jern er unikt, i det at være en af ​​de tungeste ting, der kan syntetiseres i regelmæssig stjerneudvikling, vi er ret sikre på, at det stort set alle er primære kosmiske stråler. Det er den eneste rene primære kosmiske stråle, hvor du sammen med andre vil have nogle sekundære komponenter, der også indgår i det."

"Lavet af stjernestøv"

Måling af kosmiske stråler giver videnskabsfolk et unikt indblik i højenergiprocesser, der foregår langt, langt væk. De kosmiske stråler, der ankommer til CALET, repræsenterer "de ting, vi er lavet af. Vi er lavet af stjernestøv, " siger Cherry. "Og energiske kilder, ting som supernovaer, skubbe det materiale ud fra deres indre, ud i galaksen, hvor det er distribueret, danner nye planeter, solsystemer, og ... os."

"Undersøgelsen af ​​kosmiske stråler er studiet af, hvordan universet genererer og distribuerer stof, og hvordan det påvirker udviklingen af ​​galaksen, " tilføjer Krizmanic. "Så i virkeligheden er det at studere astrofysikken i denne motor, vi kalder Mælkevejen, der kaster alle disse elementer rundt."

En global indsats

Den japanske rumfartsorganisation opsendte CALET og leder i dag missionen i samarbejde med de amerikanske og italienske hold. I USA, CALET-teamet omfatter forskere fra LSU; NASA Goddard Space Flight Center; UMBC; University of Maryland, College Park; University of Denver; og Washington University. Det nye papir er det femte fra dette meget succesrige internationale samarbejde offentliggjort i PRL, et af de mest prestigefyldte fysiktidsskrifter.

CALET blev optimeret til at detektere kosmiske stråleelektroner, fordi deres spektrum kan indeholde oplysninger om deres kilder. Det gælder især for kilder, der er relativt tæt på Jorden i galaktiske termer:inden for mindre end en tredivtedel af afstanden over Mælkevejen. Men CALET registrerer også de kosmiske strålers atomkerner meget præcist. Nu tilbyder disse kerner vigtig indsigt om kilderne til kosmiske stråler, og hvordan de kom til Jorden.

"Vi forventede ikke, at kernerne - kulstoffet, ilt, protoner, jern – ville virkelig begynde at vise nogle af disse detaljerede forskelle, der tydeligt peger på ting, vi ikke ved, " siger Cherry.

Det seneste fund skaber flere spørgsmål end det besvarer, understreger, at der stadig er mere at lære om, hvordan stof genereres og bevæger sig rundt i galaksen. "Det er et grundlæggende spørgsmål:Hvordan gør du noget?" Krizmanic siger. Men, tilføjer han, "Det er hele pointen med, hvorfor vi gik i denne forretning, for at prøve at forstå mere om, hvordan universet fungerer."