Astronomer har sett en nærliggende pulsar med en merkelig glorie rundt seg. Den pulsaren kan svare på et spørsmål som er overrasket astronomer i noen tid. Pulsaren heter Geminga, og den er en av de nærmeste pulsarene til Jorden, omtrent 800 lysår unna i stjernebildet Gemini. Ikke bare er det nær jorden, men Geminga er også veldig lys i gammastråler.
Selve glorie er usynlig for øynene våre, selvfølgelig, siden det er i gammas bølgelengder. (NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope oppdaget det.) Men det er stort, som dekker like mye av himmelen som 40 fulle måner.
Haloen kan være ansvarlig for noen ting som skjer i vårt eget nabolag: det er en overflod av antisubstanser i nærheten av Jorden, og dens tilstedeværelse har overrasket forskere i et tiår.
"Analysen vår antyder at den samme pulsaren kan være ansvarlig for et tiår langt puslespill om hvorfor en type kosmisk partikkel er uvanlig rikelig nær Jorden," sa Mattia Di Mauro, en astrofysiker ved det katolske universitetet i Amerika i Washington og NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Dette er positroner, den antimaterielle versjonen av elektroner, som kommer fra et sted utenfor solsystemet."
En pulsar er restene av en massiv stjerne som er borte supernova. Geminga er resultatet av en supernovaeksplosjon for rundt 300 000 år siden i stjernebildet Gemini. Det er en roterende nøytronstjerne som er orientert på en viss måte mot Jorden, slik at energien blir rettet mot oss som et feiende fyr.
En pulsar er naturlig omgitt av en sky av både elektroner og positroner. Det er fordi en nøytronstjerne har et intenst elektromagnetisk felt, den sterkeste av et kjent objekt. Det supersterke feltet trekker partiklene fra pulsarens overflate og akselererer dem til nær lyshastighet.
Disse raskt bevegelige partiklene, inkludert elektroner og deres motstoffs motstykker, positroner, er kosmiske stråler. Siden kosmiske stråler har en elektrisk ladning, er de utsatt for virkningene av magnetiske felt. Så når kosmiske stråler når jorden, kan astronomer ikke finne kilden.
I løpet av det siste tiåret har forskjellige observatorier og eksperimenter oppdaget flere høye energipositroner i nærheten enn forventet. NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope, NASAs Alpha Magnetic Spectrometer, og andre eksperimenter har alle oppdaget dem. Forskere regnet med at pulsarer i nærheten, inkludert Geminga, var kilden. Men på grunn av måten disse positronene er påvirket av magnetiske felt, kunne det ikke påvises.
Fram til 2017.
Det året bekreftet High-Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC) hva noen bakkebaserte deteksjoner hadde funnet: en liten, men intens gammastråle-glorie rundt Geminga. HAWC oppdaget energier i halostrukturen på 5 - 40 TeV, eller Tera-electron Volt. Det er lett med billioner ganger mer energi enn øynene våre kan se.
Opprinnelig trodde forskere at høyenergi-glorie skyldes akselererte elektroner og positroner som kolliderer med stjernelys, noe som ville øke energien deres og gjøre dem superlyse. Når en ladet partikkel overfører noe av sin energi til et foton, kalles det Inverse-Compton spredning.
Men teamet som brukte HAWC for å observere Geminga og dets glorie, kom til en konklusjon: De høye energipositronene ville bare sjelden nå jorden, basert på størrelsen på glorie. Så det måtte være en annen forklaring på overflod av positroner i nærheten av Jorden.
Forskere som studerer tilstedeværelsen av positroner i nærheten av Jorden krysset ikke pulsars fra listen ennå. Og som en nær og lys pulsar fanget Geminga fortsatt interessen.
Mattia Di Mauro ledet et lite team av forskere som studerte et tiårs verdi av Geminga-data fra Fermis Large Area Telescope (LAT.) LAT observerer lavere energilys enn HAWC gjør. Di Mauro er hovedforfatter av en ny studie som presenterer disse funnene. Studien har tittelen "Deteksjon av en? -Ray-glorie rundt Geminga med Fermi-LAT-data og implikasjoner for positronfluxen." Oppgaven er publisert i Physics Review.
En av forfatterens medforfattere er Silvia Manconi, en postdoktor ved RWTH Aachen University i Tyskland. I en pressemelding sa Manconi, “For å studere glorie, måtte vi trekke ut alle andre kilder til gammastråler, inkludert diffust lys produsert av kosmiske strålekollisjoner med interstellare gassskyer. Vi undersøkte dataene ved å bruke 10 forskjellige modeller for interstellar utslipp. ”
Når teamet hadde trukket fra alle andre kilder til gammastråler på himmelen, avslørte dataene en enorm langstrakt struktur; en glorie rundt Geminga. Den høye energistrukturen dekket 20 grader på himmelen med 20 milliarder elektron volt, og et enda større område med lavere energier.
Studier som medforfatter Fiorenza Donato er fra det italienske nasjonale instituttet for kjernefysikk og universitetet i Torino. I pressemeldingen sa Donato: “Partikler med lavere energi reiser mye lenger fra pulsaren før de støter på stjernelys, overfører en del av energien til den og øker lyset til gammastråler. Dette er grunnen til at gammastråleutslipp dekker et større område med lavere energier, ”forklarte Donato. "Gemingas glorie er også langstrakt, delvis på grunn av pulsarens bevegelse gjennom verdensrommet."
Teamet sammenlignet LAT-dataene med HAWC-dataene og konkluderte med at datasettene stemte overens. De fant også ut at lyse, nærliggende Geminga kunne være ansvarlig for så mye som 20% av de høye energipositronene som AMS-02-eksperimentet observerte. Ekstrapolerer fra det til alle de kumulative pulsarutslippene i Melkeveien, sier teamet at pulsarer forblir den beste forklaringen på det opprinnelige mysteriet: kilden til alle disse positronene i nærheten av Jorden.
"Arbeidet vårt viser viktigheten av å studere individuelle kilder for å forutsi hvordan de bidrar til kosmiske stråler," sa Di Mauro. "Dette er ett aspekt av det spennende nye feltet kalt multimessenger-astronomi, der vi studerer universet ved hjelp av flere signaler, som kosmiske stråler, i tillegg til lys."
Mer:
- Pressemelding: NASAs Fermi Mission kobler i nærheten Pulsars Gamma-ray ‘Halo’ til Antimatter Puzzle
- Forskningsoppgave: Påvisning av en? -Ray-glorie rundt Geminga med Fermi-LAT-data og implikasjoner for positronfluxen
- Wikipedia: Compton Scattering
