Astronomer har tittat på en närliggande pulsar med en konstig gloria runt den. Den pulsaren kan besvara en fråga som är förbryllade astronomer under en tid. Pulsaren heter Geminga och är en av de närmaste pulsarsna på jorden, cirka 800 ljusår bort i konstellationen Gemini. Inte bara är det nära Jorden, utan Geminga är också mycket ljus i gammastrålar.
Hjälpen i sig är osynlig för våra ögon, uppenbarligen, eftersom den ligger i gammas våglängder. (NASA: s Fermi Gamma-ray Space Telescope upptäckte det.) Men det är stort och täcker lika mycket av himlen som 40 månar.
Halo kanske är ansvarig för vissa händelser i vårt eget grannskap: det finns ett överflöd av antimaterial nära Jorden, och dess närvaro har förundrat forskare i ett decennium.
"Vår analys tyder på att samma pulsar kan vara ansvarig för ett decennium-långt pussel om varför en typ av kosmisk partikel är ovanligt riklig nära Jorden," sade Mattia Di Mauro, en astrofysiker vid det katolska universitetet i Amerika i Washington och NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Det här är positroner, den antimateriella versionen av elektroner, som kommer från någonstans bortom solsystemet."
En pulsar är resterna av en massiv stjärna som har gått supernova. Geminga är resultatet av en supernovaexplosion för cirka 300 000 år sedan i konstellationen Gemini. Det är en roterande neutronstjärna som är orienterad på ett visst sätt mot Jorden, så att dess energi riktas mot oss som en svepande fyr.
En pulsar omges naturligt av ett moln av både elektroner och positroner. Det beror på att en neutronstjärna har ett intensivt elektromagnetiskt fält, det starkaste av alla kända föremål. Det superstarka fältet drar partiklarna från pulsarytan och accelererar dem till nära ljushastighet.
Dessa snabbt rörliga partiklar, inklusive elektroner och deras antimaterial motsvarigheter, positroner, är kosmiska strålar. Eftersom kosmiska strålar har en elektrisk laddning är de utsatta för effekterna av magnetfält. Så när kosmiska strålar når jorden kan astronomer inte fastställa deras källa.
Under det senaste decenniet har olika observatorier och experiment upptäckt fler höga energipositroner i vår närhet än väntat. NASA: s Fermi Gamma-ray Space Telescope, NASAs Alpha Magnetic Spectrometer och andra experiment har alla upptäckt dem. Forskare förväntade sig att närliggande pulsars, inklusive Geminga, var källan. Men på grund av hur dessa positroner påverkas av magnetfält, kunde det inte bevisas.
Fram till 2017.
Under det året bekräftade High-Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC) vad vissa markbaserade upptäckter hade funnit: en liten men intensiv gammastrålehalo kring Geminga. HAWC detekterade energier i halo-strukturen på 5 - 40 TeV eller Tera-electron volt. Det är lätt med biljoner gånger mer energi än våra ögon kan se.
Ursprungligen trodde forskare att halogen med hög energi orsakas av accelererade elektroner och positroner som kolliderar med stjärnljus, vilket skulle öka deras energi och göra dem superljust. När en laddad partikel överför en del av sin energi till en foton kallas det Inverse-Compton-spridning.
Men teamet som använde HAWC för att observera Geminga och dess gloria kom till en slutsats: dessa högenergipositroner skulle bara sällan nå jorden, baserat på haloens storlek. Så det måste finnas en annan förklaring till överflödet av positroner nära Jorden.
Forskare som studerade närvaron av positroner nära Jorden korsade inte pulsars från sin lista än. Och som en nära och ljus pulsar fick Geminga fortfarande sitt intresse.
Mattia Di Mauro ledde ett litet team av forskare som studerade ett decenniums värde av Geminga-data från Fermis Large Area Telescope (LAT.) LAT observerar lägre energiljus än HAWC gör. Di Mauro är huvudförfattare till en ny studie som presenterar dessa resultat. Studien har titeln "Upptäckt av en? -Ray-glorie runt Geminga med Fermi-LAT-data och implikationer för positronflödet." Uppsatsen publiceras i Physics Review.
En av författarens medförfattare är Silvia Manconi, en postdoktorisk forskare vid RWTH Aachen University i Tyskland. I ett pressmeddelande sade Manconi: ”För att studera glorie, var vi tvungna att subtrahera alla andra källor till gammastrålar, inklusive diffust ljus som produceras av kosmiska strålkollisioner med interstellära gasmoln. Vi undersökte data med hjälp av 10 olika modeller för interstellär emission. ”
När teamet subtraherat alla andra källor till gammastrålar på himlen, avslöjade data en enorm långsträckt struktur; en gloria runt Geminga. Strukturen med hög energi täckte 20 grader på himlen med 20 miljarder elektron volt och ett ännu större område med lägre energier.
Studerande medförfattare Fiorenza Donato är från italienska National Institute of Nuclear Physics och University of Turin. I pressmeddelandet sade Donato: ”Partiklar med lägre energi reser mycket längre från pulsaren innan de stöter på stjärnljus, överför en del av sin energi till den och ökar ljuset till gammastrålar. Det är därför gamma-ray-utsläpp täcker ett större område med lägre energier, ”förklarade Donato. "Gemingas halo är också långsträckt delvis på grund av pulsarens rörelse genom rymden."
Teamet jämförde LAT-uppgifterna med HAWC-uppgifterna och drog slutsatsen att datamängden matchade. De fann också att ljusa, närliggande Geminga kunde vara ansvariga för så mycket som 20% av de högenergipositroner som AMS-02-experimentet observerade. Teamet, som utvidgar från det till alla kumulativa pulsarutsläpp i Vintergatan, säger att pulsars förblir den bästa förklaringen till det ursprungliga mysteriet: källan till alla dessa positroner nära Jorden.
"Vårt arbete visar vikten av att studera enskilda källor för att förutsäga hur de bidrar till kosmiska strålar," sade Di Mauro. "Detta är en aspekt av det spännande nya fältet som kallas multimessenger astronomi, där vi studerar universumet med hjälp av flera signaler, som kosmiska strålar, förutom ljus."
Mer:
- Pressmeddelande: NASA: s Fermi Mission länkar i närheten Pulsars Gamma-ray ‘Halo’ till Antimatter Puzzle
- Forskningsdokument: Upptäckt av en? -Ray-glorie runt Geminga med Fermi-LAT-data och implikationer för positronflödet
- Wikipedia: Compton Scattering
