I en våg med medieutgivningar belyser de senaste studierna som utförts av NASA: s Fermi Gamma-ray Space Telescope världen av partikelastrofysik med nyheten om hur supernovaer kan vara förfäder av kosmiska strålar. Resten är elektroner och atomkärnor. När de möter ett magnetfält förändras deras vägar som en stötfångare i en nöjespark - men det är inget underhållande med att inte veta sitt ursprung. Nu har fyra års hårt arbete gjort av forskare vid Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology vid Department of Energy's (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory. Det finns bevis på hur kosmiska strålar föds.
"Dessa protons energier är långt bortom vad de mest kraftfulla partikelkolliderande på jorden kan producera," sade Stefan Funk, astrofysiker vid Kavli Institute och Stanford University, som ledde analysen. ”Under förra seklet har vi lärt oss mycket om kosmiska strålar när de kommer hit. Vi har till och med haft starka misstankar om källan till deras acceleration, men vi har inte haft entydiga bevis för att säkerhetskopiera dem förrän nyligen. "
Hittills har forskare inte klart för vissa uppgifter - till exempel vilka atompartiklar som kan vara ansvariga för utsläppen från interstellär gas. För att hjälpa deras forskning tittade de mycket nära på ett par gammastråleutsläppande supernovarester - känd som IC 443 och W44. Varför skillnaden? I detta fall delar gammastrålar liknande energier med kosmiska strålprotoner och elektroner. För att skilja dem ut har forskare avslöjat den neutrala pionen, produkten från kosmiska strålprotoner som påverkar normala protoner. När detta händer söndergår pionen snabbt till en uppsättning gammastrålar, vilket lämnar en signaturnedgång - en som ger bevis i form av protoner. Protonerna skapades i en process som kallas Fermi Acceleration och förblir fångna i den snabbt rörliga stöten framför supernovan och påverkas inte av magnetfält. Tack vare den här egenskapen kunde astronomerna spåra dem direkt till deras källa.
"Upptäckten är rökningsvapnet som dessa två supernovarrester producerar påskyndade protoner," säger ledningsforskaren Stefan Funk, en astrofysiker vid Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology vid Stanford University i Kalifornien. "Nu kan vi arbeta för att bättre förstå hur de hanterar den här bristen och avgöra om processen är gemensam för alla rester där vi ser gammastråleutsläpp."
Är det små speedsters? Det kan du vara säker på. Varje gång partikeln passerar över chockfronten får den ungefär 1% mer hastighet - så småningom tillräckligt för att bryta sig fri som kosmisk stråle. "Astronauter har dokumenterat att de faktiskt ser blixtljus förknippade med kosmiska strålar," konstaterade Funk. "Det är en av anledningarna till att jag beundrar deras mod - miljön där ute är verkligen ganska tuff." Nästa steg i denna forskning, tilllade Funk, är att förstå de exakta detaljerna i accelerationsmekanismen och även de maximala energier som supernovarester kan påskynda protoner.
Studierna slutar dock inte där. Fler nya bevis på supernova-rester som agerade som partikelacceleratorer dök upp under noggrann observationsanalys av den serbiska astronomen Sladjana Nikolic (Max Planck Institute for Astronomy). De tittade på ljusets sammansättning. Nikolic förklarar: ”Det här är första gången vi kunde se en detaljerad titt på mikrofysiken i och runt chockområdet. Vi hittade bevis för en föregångsregion direkt framför chocken, som tros vara en förutsättning för kosmisk strålproduktion. Föregångarregionen värms också upp precis som man kan förvänta sig om det fanns protoner som transporterar energi från regionen direkt bakom chocken. ”
Nikolic och hennes kollegor anställde spektrografen VIMOS vid European Southern Observatory's Very Large Telescope i Chile för att observera och dokumentera ett kort avsnitt av chockfronten på supernova SN 1006. Denna nya teknik är känd som integrerad fältspektroskopi - en första gången vilket tillåter astronomer att noggrant undersöka sammansättningen av ljuset från supernova-resten. Kevin Heng från University of Bern, en av handledarna för Nikolics doktorandarbete, säger: ”Vi är särskilt stolta över att vi lyckades använda integrerad fältspektroskopi på ett ganska oortodokt sätt, eftersom det vanligtvis används för att studera högrödskiftande galaxer. Genom att uppnå detta uppnådde vi en precision som mycket överträffar alla tidigare studier. ”
Det är verkligen en spännande tid att titta närmare på supernovarester - särskilt när det gäller kosmiska strålar. Som Nikolic förklarar: ”Detta var ett pilotprojekt. De utsläpp som vi observerade från supernovarresten är mycket, mycket svaga jämfört med de vanliga målobjekten för denna typ av instrument. Nu när vi vet vad som är möjligt är det verkligen spännande att tänka på uppföljningsprojekt. ” Glenn van de Ven från Max Planck-institutet för astronomi, Nikolys andra medhandledare och en expert på integrerad fältspektroskopi, tillägger: ”Denna typ av ny observationsmetod kan mycket väl vara nyckeln till att lösa pusslet om hur kosmiska strålar produceras i supernovarester. ”
Kavli Institute-direktör Roger Blandford, som deltog i Fermi-analysen, sa: "Det passar att en så tydlig demonstration som visar supernovarester påskyndar kosmiska strålar kom när vi firade 100-årsjubileet för deras upptäckt. Det ger hem hur snabbt våra möjligheter till upptäckt går framåt. ”
Ursprungliga berättelsekällor och vidare läsning: Nytt tillvägagångssätt på jakt efter kosmisk partikelaccelerator, NASA: s Fermi bevisar Supernova-rester producerar kosmiska strålar och bevis: kosmiska strålar kommer från exploderande stjärnor.
