I en bølge av medieutgivelser belyser de nyeste studiene utført av NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope verden for partikkelastrofysikk med nyheten om hvordan supernovaer kan være stamfader til kosmiske stråler. Resten er elektroner og atomkjerner. Når de møter et magnetfelt, endres banene deres som en støtfangerbil i en fornøyelsespark - men det er ikke noe morsomt med å ikke vite deres opprinnelse. Nå har fire år med hardt arbeid utført av forskere ved Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology ved Department of Energy's (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory. Det er bevis på hvordan kosmiske stråler blir født.
"Energiene til disse protonene er langt utover hva de kraftigste partikkeloppsamlerne på jorden kan produsere," sa Stefan Funk, astrofysiker ved Kavli Institute og Stanford University, som ledet analysen. "I forrige århundre har vi lært mye om kosmiske stråler når de kommer hit. Vi har til og med hatt sterke mistanker om kilden til deres akselerasjon, men vi har ikke hatt entydige bevis for å sikkerhetskopiere dem før nylig. "
Inntil nå var forskere ikke klar over noen opplysninger - for eksempel hvilke atompartikler som kan være ansvarlige for utslippene fra interstellar gass. For å hjelpe deres forskning tok de en veldig titt på et par gammastråleemitterende supernova-rester - kjent som IC 443 og W44. Hvorfor avviket? I dette tilfellet deler gammastråler lignende energier med kosmiske stråleprotoner og elektroner. For å skille dem fra hverandre, har forskere avdekket den nøytrale pionen, produktet av kosmiske stråleprotoner som påvirker normale protoner. Når dette skjer, avtar pion raskt i et sett gammastråler, og etterlater en signaturnedgang - en som gir bevis i form av protoner. Protonene ble opprettet i en prosess kjent som Fermi Acceleration, og forblir fanget i den raskt bevegelige sjokkfronten på supernovaen og blir ikke påvirket av magnetiske felt. Takket være denne egenskapen kunne astronomene spore dem direkte tilbake til kilden.
"Oppdagelsen er den røykende pistolen som disse to supernovarestene produserer akselererte protoner," sa hovedforsker Stefan Funk, en astrofysiker ved Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology ved Stanford University i California. "Nå kan vi jobbe for å bedre forstå hvordan de klarer denne bragden og bestemme om prosessen er felles for alle rester der vi ser gammastråleutslipp."
Er det små speedster? Det kan du vedde på. Hver gang partikkelen passerer over sjokkfronten, oppnår den omtrent 1% mer hastighet - til slutt nok til å bryte fri som kosmisk stråle. "Astronauter har dokumentert at de faktisk ser lysglimt forbundet med kosmiske stråler," bemerket Funk. "Det er en av grunnene til at jeg beundrer deres mod - miljøet der ute er egentlig ganske tøft." Det neste trinnet i denne forskningen, la Funk til, er å forstå de nøyaktige detaljene i akselerasjonsmekanismen og også de maksimale energiene som supernova-rester kan akselerere protoner til.
Studiene slutter imidlertid ikke der. Flere nye bevis på supernovaerester som opptrådte som partikkelakseleratorer dukket opp under nøye observasjonsanalyser av den serbiske astronomen Sladjana Nikolic (Max Planck Institute for Astronomy). De så på lysets sammensetning. Nikolic forklarer: ”Dette er første gang vi kunne se nærmere på mikrofysikken i og rundt sjokkområdet. Vi fant bevis for en forløperregion rett foran sjokket, som antas å være en forutsetning for kosmisk stråleproduksjon. Forløperregionen blir også oppvarmet på samme måte som man kunne forvente om det var protoner som fraktet energi fra regionen rett bak sjokket. ”
Nikolic og hennes kolleger ansatte spektrografen VIMOS ved European Southern Observatory's Very Large Telescope i Chile for å observere og dokumentere en kort del av sjokkfronten til supernovaen SN 1006. Denne nye teknikken er kjent som integrert felt-spektroskopi - en første gangs prosess som gjør at astronomer kan undersøke sammensetningen av lyset fra supernova-resten grundig. Kevin Heng ved University of Bern, en av veilederne for Nikolys doktorgradsarbeid, sier: "Vi er spesielt stolte av det faktum at vi klarte å bruke integrert feltspektroskopi på en ganske uortodoks måte, siden den vanligvis brukes til studiet av høy-rødskiftede galakser. Dermed oppnådde vi et presisjonsnivå som langt overgår alle tidligere studier. ”
Det er virkelig en spennende tid å se nærmere på supernovaerester - spesielt med tanke på kosmiske stråler. Som Nikolic forklarer: “Dette var et pilotprosjekt. Utslippene vi observerte fra supernova-resten er veldig, veldig svake i forhold til de vanlige målobjektene for denne typen instrumenter. Nå som vi vet hva som er mulig, er det virkelig spennende å tenke på oppfølgingsprosjekter. " Glenn van de Ven fra Max Planck Institute for Astronomy, Nikolys andre medveileder og en ekspert på integrert felt spektroskopi, legger til: "Denne typen nye observasjonsmetoder kan godt være nøkkelen til å løse puslespillet om hvordan kosmiske stråler produseres i supernova-rester. ”
Kavli Institute-direktør Roger Blandford, som deltok i Fermi-analysen, sa: "Det er passende at en så tydelig demonstrasjon som viser at supernova-rester akselererer kosmiske stråler kom da vi feiret 100-årsjubileet for oppdagelsen deres. Det bringer hjem hvor raskt mulighetene våre for oppdagelse går videre. ”
Originale historiekilder og videre lesning: Roman tilnærming i jakten på kosmisk partikkelakselerator, NASAs Fermi Proves Supernova Remnants Produce Cosmic Rays, and Proof: Cosmic Rays Come from Exploding Stars.
