Vad accelererar kosmiska strålar till nästan ljusets hastighet? Astronomen har funderat över den frågan i nästan 100 år, och nu stöder nya bevis en teori som hållits under två decennier om att kosmiska strålar troligen drivs av exploderande stjärnor och stjärnvindar. "Denna upptäckt har förutsagits i nästan 20 år, men fram till nu var inget instrument tillräckligt känsligt för att se det," sade Wystan Benbow, en astrofysiker vid Smithsonian Astrophysical Observatory som samordnade detta projekt för Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS ) samarbete.
För nästan 100 år sedan upptäckte forskare de första tecknen på kosmiska strålar, som faktiskt inte är strålar eller strålar utan subatomära partiklar (mestadels protoner) som glider genom rymden med nästan ljusets hastighet. De mest energiska kosmiska strålarna träffade med en snabbboll på 98 mph, även om de är mindre än en atom. Astronomer ifrågasatte vilken naturkraft som skulle kunna påskynda partiklar till en sådan hastighet.
De sällsynta kosmiska strålarna har över 100 miljarder gånger så mycket energi som genereras av någon partikelaccelerator på jorden. Astronomer har utvecklat geniala metoder för att upptäcka kosmiska strålar som träffar jordens atmosfär. Att detektera kosmiska strålar på avstånd kräver dock mycket mer ansträngning.
VERITAS har hittat nya bevis för kosmiska strålar i "Cigar Galaxy", även känd som Messier 82 (M82), som ligger 12 miljoner ljusår från jorden i riktning mot stjärnbilden Ursa Major, som starkt stödjer den långvariga teori om att supernovaer och stjärnvindar från massiva stjärnor är de dominerande acceleratorerna för kosmiska strålpartiklar.
Galaxer med höga nivåer av stjärnbildning som M82, även känd som "starburst" -galaxer, har stort antal supernovaer och massiva stjärnor. Om teorin håller, borde starburst-galaxer innehålla mer kosmiska strålar än normala galaxer. VERITAS-upptäckten bekräftar den förväntan som indikerar att den kosmiska stråldensiteten i M82 är ungefär 500 gånger den genomsnittliga densiteten i vår galax, Vintergatan.
"Denna upptäckt ger grundläggande insikter i ursprunget till kosmiska strålar," sade Rene Ong, professor i fysik vid University of California, Los Angeles, och talesman för VERITAS-samarbetet.
Använda gammastrålar för att sluta kosmiska strålar
VERITAS kunde inte upptäcka M82: s kosmiska strålar direkt eftersom de fångas in i Cigar Galaxy. Istället letade VERITAS efter ledtrådar till närvaron av kosmiska strålar: gammastrålar. Gamma-strålar är den mest energiska formen av ljus, mycket kraftigare än ultraviolett ljus eller till och med röntgenstrålar. När kosmiska strålar interagerar med interstellär gas och strålning inom M82 producerar de gammastrålar, som sedan kan undkomma sin hemgalax och nå jordbundna detektorer.
Det tog två års dedicerad datainsamling för att reta ut den svaga signalen från M82.
”Vi visste att upptäckten av M82 skulle ha viktiga vetenskapliga konsekvenser. Som ett resultat planerade vi en exceptionellt lång exponering omedelbart efter att experimentet blev fullt operativt, säger Benbow. ”Uppgifterna behövde analyseras noggrant för att extrahera gammastrålningssignalen, som är över en miljon gånger mindre än bakgrundsljudet. Även om signalen bara är en liten bråkdel av uppgifterna, gjorde vi många kontroller för eventuell partiskhet och vi är övertygade om att signalen är äkta. ”
"Upptäckten av M82 indikerar att universum är fullt av naturliga partikelacceleratorer, och eftersom markbaserade gammastråleobservatorer fortsätter att förbättras är ytterligare upptäckter oundvikliga." sa Martin Pohl, professor i fysik vid Iowa State University som hjälpte till att leda studien. Ett nästa generations VHE-gammastrålningsobservatorium, Advanced Gamma-ray Imaging System (AGIS), är redan under utveckling.
VERITAS drivs av ett samarbete med mer än 100 forskare från 22 olika institutioner i USA, Irland, England och Kanada. Klicka här för mer information om VERITAS.
Huvudbildtexter: En sammansättning av flera våglängdsbilder av den aktiva galaxen M82 från Hubble, Chandra och Spitzer. Kredit: NASA, ESA, CXC och JPL-Caltech
Källa: Harvard Smithsonian Center for Astrophysics
