En ny undersøgelse ved hjælp af observationer fra NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope afslører det første tydelige bevis på, at ekspanderende stjerners voksende affald producerer noget af det hurtigst bevægende stof i universet.
Denne opdagelse er et stort skridt hen imod forståelse af oprindelsen af kosmiske stråler, et af Fermis primære missionsmål.
”Forskere har forsøgt at finde kilderne til kosmiske stråler med høj energi siden deres opdagelse for et århundrede siden,” sagde Elizabeth Hays, et medlem af forskerteamet og Fermi-viceprojektforsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md. ” Nu har vi afgørende bevis på supernovarester, længe de vigtigste mistænkte, fremskynder virkelig kosmiske stråler til utrolige hastigheder. ”
W44-supernovaresten er beliggende inde i og interagerer med den molekylære sky, der dannede sin overordnede stjerne. Fermis LAT detekterer GeV-gamma-stråler (magenta), der er produceret, når gassen bombarderes af kosmiske stråler, primært protoner. Radioobservationer (gul) fra Karl G. Jansky Very Large Array nær Socorro, N.M., og infrarøde (røde) data fra NASAs Spitzer-rumteleskop afslører filamentstrukturer i restens skal. Blue viser røntgenemission, der er kortlagt af den tysk ledede ROSAT-mission. Kredit: NASA / DOE / Fermi LAT-samarbejde, NRAO / AUI, JPL-Caltech, ROSAT
Kosmiske stråler er subatomære partikler, der bevæger sig gennem rummet med næsten lysets hastighed. Cirka 90 procent af dem er protoner, hvor resten består af elektroner og atomkerner. I deres rejse over galaksen afbøjes de elektrisk ladede partikler af magnetiske felter. Dette krymper deres stier og gør det umuligt at spore deres oprindelse direkte.
Gennem en række mekanismer kan disse hurtige partikler føre til udsendelse af gammastråler, den mest kraftfulde form for lys og et signal, der rejser til os direkte fra dens kilder.
Siden lanceringen i 2008 har Fermis Large Area Telescope (LAT) kortlagt millioner til milliarder elektron-volt (MeV til GeV) gamma-stråler fra supernovarester. Til sammenligning er synligt lys energi mellem 2 og 3 elektron volt.
Fermi-resultaterne vedrører to særlige supernovarester, kendt som IC 443 og W44, som forskere studerede for at bevise, at supernovarester producerer kosmiske stråler. IC 443 og W44 udvides til kolde, tætte skyer af interstellar gas. Disse skyer udsender gammastråler, når de bliver ramt af partikler med høj hastighed, der slipper ud af resterne.
Forskere kunne tidligere ikke bestemme, hvilke atompartikler der er ansvarlige for emissioner fra de interstellære gasskyer, fordi kosmiske stråleprotoner og elektroner giver anledning til gammastråler med lignende energier. Efter at have analyseret fire års data, ser Fermi-forskere et adskilt træk i gammastråleemissionen af begge rester. Funktionen er forårsaget af en kortvarig partikel kaldet en neutral pion, der produceres, når kosmiske stråleprotoner smadrer til normale protoner. Pion falder hurtigt ned i et par gammastråler, emission, der udviser en hurtig og karakteristisk tilbagegang ved lavere energier. Den lave ende afskærmning fungerer som en finger og giver et klart bevis på, at de skyldige i IC 443 og W44 er protoner.
Denne komposit med flere bølgelængder viser supernova-rest IC 443, også kendt som vandmændtågen. Fermi GeV gammastråleemission er vist i magenta, optiske bølgelængder som gule, og infrarøde data fra NASAs Wide-felt Infrared Survey Explorer (WISE) -mission er vist som blå (3,4 mikron), cyan (4,6 mikron), grøn (12 mikron) ) og rød (22 mikron). Cyan-sløjfer viser, hvor resten er i interaktion med en tæt sky af interstellar gas. Kredit: NASA / DOE / Fermi LAT-samarbejde, NOAO / AURA / NSF, JPL-Caltech / UCLA
Resultaterne vises i fredagens nummer af tidsskriftet Science.
”Opdagelsen er rygerpistolen, som disse to supernova-rester producerer accelererede protoner,” sagde hovedforsker Stefan Funk, en astrofysiker ved Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology ved Stanford University i Calif. ”Nu kan vi arbejde for at forstå bedre hvordan de styrer denne bedrift og bestemmer, om processen er fælles for alle rester, hvor vi ser gammastråleemission. ”
I 1949 antydede Fermi-teleskopets navnebror, fysiker Enrico Fermi, de kosmiske stråler med højeste energi blev accelereret i de magnetiske felter i interstellare gasskyer. I de efterfølgende årtier viste astronomer supernova-rester var galakas bedste kandidatsteder til denne proces.
En ladet partikel, der er fanget i en supernova-rest magnetiske felt bevæger sig tilfældigt gennem hele feltet og krydser lejlighedsvis gennem eksplosionens førende chokbølge. Hver rundtur gennem chokket ramper partiklernes hastighed op med cirka 1 procent. Efter mange krydsninger opnår partiklen nok energi til at bryde fri og undslippe i galaksen som en nyfødt kosmisk stråle.
Supernova-rest IC 443, populært kendt som vandmænds tåge, er placeret 5.000 lysår væk mod stjernebilledet Gemini og menes at være omkring 10.000 år gammel. W44 ligger omkring 9.500 lysår væk mod stjernebilledet Aquila og skønnes at være 20.000 år gammel. Hver er den ekspanderende chokbølge og affald, der blev dannet, da en massiv stjerne eksploderede.
Fermi-opdagelsen bygger på en stærk antydning af neutralt pionfald i W44 observeret af det italienske rumfartsagenturs AGILE gammastråleobservatorium og offentliggjort i slutningen af 2011.
NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope er et astrofysisk og partikelfysisk partnerskab. Goddard administrerer Fermi. Teleskopet blev udviklet i samarbejde med U.S.A. Department of Energy med bidrag fra akademiske institutioner og partnere i USA, Frankrig, Tyskland, Italien, Japan og Sverige.
Via NASA