Mysteriet om tunge grundstoffer i galaktiske kosmiske stråler

Forskere har brugt data fra Southwest Research Institute-ledede Magnetospheric Multiscale (MMS) mission til at forklare tilstedeværelsen af ​​energiske tunge grundstoffer i galaktiske kosmiske stråler (GCR'er). GCR'er er sammensat af hurtigt bevægende energipartikler, for det meste hydrogenioner kaldet protoner, de letteste og mest rigelige grundstoffer i universet. Forskere har længe diskuteret, hvordan spormængder af tunge ioner i GCR'er accelereres.

Supernovaeksplosionen af ​​en døende stjerne skaber massive chokbølger, der forplanter sig gennem det omgivende rum, accelererende ioner på deres vej til meget høje energier, oprettelse af GCR'er. Hvor tunge ioner tilføres og accelereres er vigtigt, fordi de påvirker omfordelingen af ​​masse i hele universet og er afgørende for dannelsen af ​​endnu tungere og mere kemisk komplekse grundstoffer. De påvirker også, hvordan vi opfatter astrofysiske strukturer.

"Tunge ioner menes at være ufølsomme over for en indkommende chokbølge, fordi de er mindre rigelige, og chokenergien er overvældende forbrugt af overvægten af ​​protoner. Visualiser at stå på en strand, mens bølger flytter sandet under dine fødder, mens du bliver på plads, " sagde SwRI's Dr. Hadi Madanian, hovedforfatteren af ​​papiret om denne forskning offentliggjort i Astrofysiske tidsskriftsbreve . "Imidlertid, Den klassiske opfattelse af, hvordan tunge ioner opfører sig under chokforhold, er ikke altid, hvad vi har set i højopløselige MMS-observationer af det nære Jordens rummiljø."

Shockfænomener forekommer også i det nære Jord-miljø. Solens magnetfelt føres gennem det interplanetariske rum af den supersoniske solvindstrøm, som er blokeret og omdirigeret af Jordens magnetosfære, en boble af beskyttelse omkring vores hjemmeplanet. Dette interaktionsområde kaldes buestødet på grund af dets buede form, sammenlignelig med de bovbølger, der opstår, når en båd sejler gennem vand. Jordens buechok dannes i meget mindre skala end supernovachok. Imidlertid, til tider, forholdene for dette lille stød ligner dem for supernova-rester. Holdet brugte højopløselige in-situ-målinger fra MMS-rumfartøjet ved bovstødet til at studere, hvordan tunge ioner accelereres.

"Vi observerede intens forstærkning af magnetfeltet nær buestødet, en kendt egenskab forbundet med stærke stød såsom supernova-rester. Vi analyserede derefter, hvordan forskellige ionarter opførte sig, da de stødte på buechokket, Madanian sagde. "Vi fandt ud af, at disse forbedrede felter væsentligt ændrer banen for tunge ioner, omdirigerer dem til chokkets accelerationszone."

Selvom denne adfærd ikke forventedes at forekomme for tunge ioner, holdet identificerede direkte beviser for denne proces i alfapartikler, heliumioner, der er fire gange mere massive end protoner og har dobbelt så høj ladning.

"Den fremragende opløsning af MMS-observationer har givet os et meget klarere billede af, hvordan en chokbølge giver energi til de tunge elementer. Vi vil være i stand til at bruge denne nye forståelse til at forbedre vores computermodeller af kosmisk stråleacceleration ved astrofysiske stød, " sagde David Burgess, en professor i matematik og astronomi ved Queen Mary University of London og medforfatter til papiret. "De nye resultater har betydelige konsekvenser for sammensætningen af ​​kosmiske stråler og de observerede strålingsspektre fra astrofysiske strukturer."