W fali publikacji medialnych najnowsze badania przeprowadzone przez Kosmiczny Teleskop Fermi Gamma NASA oświetlają świat astrofizyki cząstek, informując o tym, że supernowe mogą być prekursorem promieni kosmicznych. Reszta to elektrony i jądra atomowe. Kiedy spotykają się z polem magnetycznym, ich ścieżki zmieniają się jak zderzak w wesołym miasteczku - ale nic dziwnego, że nie znamy ich pochodzenia. Teraz cztery lata ciężkiej pracy naukowców z Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology w Departamencie Energii (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory opłaciło się. Istnieją dowody na to, jak rodzą się promienie kosmiczne.
„Energie tych protonów znacznie przekraczają możliwości najpotężniejszych zderzaczy cząstek na Ziemi” - powiedział Stefan Funk, astrofizyk z Instytutu Kavli i Uniwersytetu Stanforda, który kierował analizą. „W ostatnim stuleciu wiele się nauczyliśmy o promieniach kosmicznych, gdy tu przybywają. Mieliśmy nawet poważne podejrzenia co do źródła ich przyspieszenia, ale do niedawna nie mieliśmy jednoznacznych dowodów ”.
Do tej pory naukowcy nie mieli jasności co do niektórych szczegółów - takich jak cząstki atomowe, które mogą być odpowiedzialne za emisje z gazu międzygwiezdnego. Aby wspomóc swoje badania, przyjrzeli się bardzo uważnie parze pozostałości supernowych emitujących promieniowanie gamma - znanych jako IC 443 i W44. Skąd ta rozbieżność? W tym przypadku promienie gamma dzielą podobne energie z protonami i elektronami promienia kosmicznego. Aby je rozdzielić, naukowcy odkryli neutralny pion, produkt protonów promieni kosmicznych wpływających na normalne protony. Kiedy tak się dzieje, pion szybko rozpada się na zestaw promieni gamma, pozostawiając znaczący spadek - taki, który dostarcza dowodów w postaci protonów. Powstałe w procesie znanym jako Przyspieszenie Fermiego protony pozostają w niewoli w szybko poruszającym się froncie uderzeniowym supernowej i nie podlegają oddziaływaniu pól magnetycznych. Dzięki tej właściwości astronomowie byli w stanie prześledzić je bezpośrednio do źródła.
„Odkrycie jest palącym pistoletem, że te dwie pozostałości supernowej wytwarzają przyspieszone protony”, powiedział główny badacz Stefan Funk, astrofizyk z Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology na Stanford University w Kalifornii. „Teraz możemy pracować, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób radzą sobie z tym wyczynem i ustalić, czy proces ten jest wspólny dla wszystkich pozostałości, w których widzimy emisję promieniowania gamma”.
Czy są małymi speedsterami? Betcha. Za każdym razem, gdy cząstka przechodzi przez przód szoku, zyskuje około 1% więcej prędkości - w końcu wystarczającej do uwolnienia się jako promień kosmiczny. „Astronauci udokumentowali, że faktycznie widzą błyski światła związane z promieniami kosmicznymi”, zauważył Funk. „To jeden z powodów, dla których podziwiam ich odwagę - otoczenie jest naprawdę trudne”. Kolejnym krokiem w tych badaniach, dodał Funk, jest zrozumienie dokładnych szczegółów mechanizmu przyspieszenia, a także maksymalnych energii, do których pozostałości supernowej mogą przyspieszyć protony.
Jednak badania się nie kończą. Kolejne nowe dowody na to, że pozostałości po supernowych działają jak akceleratory cząstek, pojawiły się podczas starannej analizy obserwacyjnej przez serbskiego astronoma Sladjana Nikolic (Max Planck Institute for Astronomy). Przyjrzeli się składowi światła. Nikolic wyjaśnia: „Po raz pierwszy mogliśmy szczegółowo przyjrzeć się mikrofizyce w regionie wstrząsu i wokół niego. Znaleźliśmy dowody na istnienie regionu prekursorowego bezpośrednio przed wstrząsem, który uważa się za warunek wstępny produkcji promienia kosmicznego. Ponadto region prekursorowy jest ogrzewany dokładnie tak, jak można by się spodziewać, gdyby protony odprowadzały energię z regionu bezpośrednio za szokiem. ”
Nikolic i jej koledzy wykorzystali spektrograf VIMOS w Very Large Telescope Europejskiego Obserwatorium Południowego w Chile, aby obserwować i dokumentować krótki fragment frontu uderzeniowego supernowej SN 1006. Ta nowa technika znana jest jako integralna spektroskopia pola - proces po raz pierwszy co pozwala astronomom dokładnie zbadać skład światła z pozostałości po supernowej. Kevin Heng z University of Bern, jeden z promotorów pracy doktorskiej Nikolic, mówi: „Jesteśmy szczególnie dumni z faktu, że udało nam się zastosować integralną spektroskopię pola w dość niekonwencjonalny sposób, ponieważ jest ona zwykle wykorzystywana do badania galaktyki o wysokim przesunięciu ku czerwieni. W ten sposób osiągnęliśmy poziom precyzji znacznie przewyższający wszystkie poprzednie badania. ”
To naprawdę intrygujący czas, aby przyjrzeć się bliżej pozostałościom supernowych - szczególnie w odniesieniu do promieni kosmicznych. Jak wyjaśnia Nikolic: „To był projekt pilotażowy. Emisje, które obserwowaliśmy z pozostałości po supernowej, są bardzo, bardzo słabe w porównaniu ze zwykłymi obiektami docelowymi dla tego typu instrumentów. Teraz, gdy wiemy, co jest możliwe, myślenie o dalszych projektach jest naprawdę ekscytujące ”. Glenn van de Ven z Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka, drugi współsprawozdawca Nikolic i ekspert w dziedzinie zintegrowanej spektroskopii pola, dodaje: „Tego rodzaju nowatorskie podejście obserwacyjne może być kluczem do rozwiązania zagadki, w jaki sposób wytwarzane są promienie kosmiczne pozostałości po supernowej. ”
Dyrektor Instytutu Kavli, Roger Blandford, który brał udział w analizie Fermiego, powiedział: „To dobrze, że tak wyraźna demonstracja pokazująca pozostałości supernowych przyspieszają promienie kosmiczne, kiedy świętowaliśmy 100. rocznicę ich odkrycia. Pokazuje, jak szybko rozwijają się nasze możliwości odkrywania. ”
Źródła oryginalnej historii i dalsze czytanie: Nowatorskie podejście do poszukiwania kosmicznego akceleratora cząstek, NASA Fermi dowodzi, że pozostałości po supernowej wytwarzają promienie kosmiczne, a dowód: kosmiczne promienie pochodzą od wybuchających gwiazd.
