Kosmiske stråleprotoner afslører nye spektrale strukturer ved høje energier

Kosmiske stråler udgør højenergiske protoner og atomkerner, der stammer fra stjerner (både i vores galakse og fra andre galakser) og accelereres af supernovaer og andre højenergiske astrofysiske objekter.

Vores nuværende forståelse af det galaktiske kosmiske stråleenergispektrum antyder, at det følger en magtlovsafhængighed, idet det spektrale indeks for protoner, der detekteres inden for et bestemt energiområde, falder af kraftloven, efterhånden som energien stiger.

Men nylige observationer foretaget ved hjælp af magnetiske spektrometre til lave energiniveauer og kalorimetre til høje energiniveauer har antydet en afvigelse fra denne effektlovvariation, hvor protonernes spektralindeks bliver større omkring en energi på få hundrede GeV ved energier op til 10 TeV . Efter denne "spektrale hærdning", karakteriseret ved en mindre absolut værdi af det spektrale indeks, er en "spektral blødgøring" blevet detekteret over 10 TeV ved hjælp af CALorimetric Electron Telescope (CALET), et rumteleskop installeret på den internationale rumstation.

Men bedre målinger med høj statistik og lav usikkerhed skal udføres over et bredt energispektrum for at bekræfte disse spektrale strukturer.

Det er præcis, hvad et hold af internationale forskere ledet af lektor Kazuyoshi Kobayashi fra Waseda University i Japan satte sig for at gøre. "Med data indsamlet af CALET over omkring 6,2 år har vi fremlagt en detaljeret spektral struktur af de kosmiske stråleprotoner. Det nye i vores data ligger i højstatistiske målinger over et bredere energiområde på 50 GeV til 60 TeV, " siger Kobayashi.

Resultaterne af deres undersøgelse, som omfattede bidrag fra professor emeritus Shoji Torii fra Waseda University (PI, eller Principal Investigator, af CALET-projektet) og professor Pier Simone Marrocchesi fra University of Siena i Italien, blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Breve .

De nye observationer bekræftede tilstedeværelsen af ​​spektral hærdning og blødgøring under og over 10 TeV, hvilket tyder på, at protonenergispektret ikke er i overensstemmelse med en enkelt effektlovvariation for hele området. Desuden er den spektrale blødgøring, der starter ved omkring 10 TeV, i overensstemmelse med en tidligere måling rapporteret af rumteleskopet Dark Matter Particle Explorer (DAMPE). Interessant nok viste sig overgangen ved spektral blødgøring at være skarpere end den ved spektral hærdning.

Variationerne og usikkerheden i de nye CALET-data blev kontrolleret ved hjælp af Monte Carlo-simuleringer. Statistikken blev forbedret med en faktor på omkring 2,2, og spektralhærdningsfunktionen blev bekræftet med en højere signifikans på mere end 20 sigmas.

Når han taler om betydningen af ​​denne forskning, bemærker Kobayashi, at "dette resultat vil bidrage væsentligt til vores forståelse af kosmisk stråleacceleration fra supernovaer og udbredelsesmekanismen for kosmiske stråler. Det næste skridt ville være at udvide vores måling af protonspektrene til endnu højere energier med reducerede systematiske usikkerheder. Dette bør ledsages af et skift i den teoretiske forståelse for at imødekomme de nye observationer."

Det handler dog ikke kun om kosmiske stråler. Tværtimod fortsætter undersøgelsen med at vise, hvor meget vi stadig ikke forstår om vores univers, og at det er umagen værd at overveje det. + Udforsk yderligere

Mest præcise målinger af kosmiske stråleproton- og heliumspektre over TeV