NASAs Fermi-teleskop bekræfter stjernevrag som kilde til ekstreme kosmiske partikler

Astronomer har længe søgt opsendelsesstederne for nogle af de højest energiske protoner i vores galakse. Nu bekræfter en undersøgelse, der bruger 12 års data fra NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope, at en supernovarest netop er sådan et sted.

Fermi har vist, at chokbølgerne fra eksploderede stjerner øger partiklerne til hastigheder, der kan sammenlignes med lysets. Kaldet kosmiske stråler, disse partikler har for det meste form af protoner, men kan omfatte atomkerner og elektroner. Fordi de alle bærer en elektrisk ladning, bliver deres veje forvrænget, mens de bevæger sig gennem vores galakses magnetfelt. Da vi ikke længere kan fortælle, hvilken retning de stammer fra, maskerer dette deres fødested. Men når disse partikler kolliderer med interstellar gas nær supernova-resten, producerer de en afslørende glød i gammastråler - det højeste energilys, der findes.

"Teoretikere tror, ​​at de mest energirige kosmiske stråleprotoner i Mælkevejen når en million milliarder elektronvolt eller PeV-energier," sagde Ke Fang, en assisterende professor i fysik ved University of Wisconsin, Madison. "Den præcise karakter af deres kilder, som vi kalder PeVatrons, har været svær at fastlægge."

Fanget af kaotiske magnetfelter krydser partiklerne gentagne gange supernovaens chokbølge og får fart og energi for hver passage. Til sidst kan resterne ikke længere holde dem, og de lyner ind i det interstellare rum.

Forøget til omkring 10 gange den energi, som verdens mest kraftfulde partikelaccelerator, Large Hadron Collider, er på vej til at undslippe vores galakse.

Astronomer har identificeret et par formodede PeVatroner, herunder en i midten af ​​vores galakse. Supernova-rester topper naturligvis listen over kandidater. Alligevel ud af omkring 300 kendte rester er det kun et fåtal, der har vist sig at udsende gammastråler med tilstrækkelig høj energi.

Et bestemt stjernevrag har fået stor opmærksomhed fra gamma-stråleastronomer. Kaldet G106.3+2.7, det er en kometformet sky, der ligger omkring 2.600 lysår væk i stjernebilledet Cepheus. En lys pulsar dækker den nordlige ende af supernovaresten, og astronomer tror, ​​at begge objekter er dannet i den samme eksplosion.

Fermis Large Area Telescope, dets primære instrument, detekterede milliardelektronvolt (GeV) gammastråler inde fra restens forlængede hale. (Til sammenligning måler det synlige lyss energi mellem omkring 2 og 3 elektronvolt.) Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) ved Fred Lawrence Whipple Observatory i det sydlige Arizona registrerede gammastråler med endnu højere energi fra samme region. Og både High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory i Mexico og Tibet AS-Gamma Experiment i Kina har detekteret fotoner med energier på 100 billioner elektronvolt (TeV) fra området undersøgt af Fermi og VERITAS.

"Dette objekt har været en kilde til betydelig interesse i et stykke tid nu, men for at krone det som en PeVatron, er vi nødt til at bevise, at det accelererer protoner," forklarede medforfatter Henrike Fleischhack ved Catholic University of America i Washington og NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Fangsten er, at elektroner accelereret til et par hundrede TeV kan producere den samme emission. Nu, ved hjælp af 12 års Fermi-data, tror vi, at vi har gjort det tilfældet, at G106.3+2.7 faktisk er en PeVatron."

Et papir, der beskriver resultaterne, ledet af Fang, blev offentliggjort den 10. august i tidsskriftet Physical Review Letters .

Pulsaren, J2229+6114, udsender sine egne gammastråler i et fyrtårnslignende fyr, mens den drejer, og denne glød dominerer regionen til energier på nogle få GeV. Det meste af denne emission sker i den første halvdel af pulsarens rotation. Holdet slukkede effektivt for pulsaren ved kun at analysere gammastråler, der kom fra den sidste del af cyklussen. Under 10 GeV er der ingen væsentlig emission fra restens hale.

Over denne energi er pulsarens interferens ubetydelig, og den ekstra kilde bliver let synlig. Holdets detaljerede analyse favoriserer overvældende PeV-protoner som de partikler, der driver denne gammastråleemission.

"Indtil videre er G106.3+2.7 unik, men det kan vise sig at være det lyseste medlem af en ny population af supernova-rester, der udsender gammastråler, der når TeV-energier," bemærker Fang. "Flere af dem kan blive afsløret gennem fremtidige observationer fra Fermi og meget højenergi-gammastråleobservatorier."

NASA udforsker kosmiske mysterier - og dette særlige puslespil tog mere end et årti med banebrydende observationer at løse. + Udforsk yderligere

Afsløring af et århundrede gammelt mysterium:Hvor Mælkevejens kosmiske stråler kommer fra