In einer Welle von Medienmitteilungen beleuchten die neuesten Studien des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA die Welt der Teilchenastrophysik mit der Nachricht, wie Supernovae der Vorläufer der kosmischen Strahlung sein könnten. Der Rest sind Elektronen und Atomkerne. Wenn sie auf ein Magnetfeld treffen, ändern sich ihre Wege wie bei einem Autoscooter in einem Vergnügungspark - aber es ist nicht amüsant, ihre Herkunft nicht zu kennen. Jetzt hat sich die vierjährige harte Arbeit von Wissenschaftlern am Kavli-Institut für Teilchenastrophysik und Kosmologie im SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums (DOE) ausgezahlt. Es gibt Hinweise darauf, wie kosmische Strahlen geboren werden.
"Die Energien dieser Protonen gehen weit über das hinaus, was die stärksten Teilchenkollider der Erde produzieren können", sagte Stefan Funk, Astrophysiker am Kavli Institute und an der Stanford University, der die Analyse leitete. "Im letzten Jahrhundert haben wir viel über kosmische Strahlung gelernt, als sie hier ankommen. Wir hatten sogar starken Verdacht auf die Quelle ihrer Beschleunigung, aber wir hatten bis vor kurzem keine eindeutigen Beweise, um sie zu stützen. "
Bisher waren den Wissenschaftlern einige Einzelheiten nicht klar - beispielsweise, welche Atompartikel für die Emissionen von interstellarem Gas verantwortlich sein könnten. Um ihre Forschung zu unterstützen, haben sie sich zwei Gammastrahlen emittierende Supernova-Überreste - bekannt als IC 443 und W44 - genau angesehen. Warum die Diskrepanz? In diesem Fall teilen Gammastrahlen ähnliche Energien mit Protonen und Elektronen der kosmischen Strahlung. Um sie von anderen abzuheben, haben Forscher das neutrale Pion entdeckt, das aus Protonen kosmischer Strahlung besteht, die auf normale Protonen einwirken. Wenn dies geschieht, zerfällt das Pion schnell in eine Reihe von Gammastrahlen und hinterlässt einen Signaturabfall - einer, der Beweise in Form von Protonen liefert. Die Protonen wurden in einem als Fermi-Beschleunigung bekannten Prozess erzeugt und bleiben in der sich schnell bewegenden Schockfront der Supernova gefangen und werden nicht von Magnetfeldern beeinflusst. Dank dieser Eigenschaft konnten die Astronomen sie direkt bis zu ihrer Quelle zurückverfolgen.
"Die Entdeckung ist die rauchende Waffe, dass diese beiden Supernova-Überreste beschleunigte Protonen produzieren", sagte der leitende Forscher Stefan Funk, Astrophysiker am Kavli-Institut für Partikelastrophysik und Kosmologie an der Stanford University in Kalifornien. "Jetzt können wir besser verstehen, wie sie dieses Kunststück bewältigen, und feststellen, ob der Prozess allen Überresten gemeinsam ist, bei denen wir eine Gammastrahlenemission sehen."
Sind sie kleine Flitzer? Darauf kannst du wetten. Jedes Mal, wenn das Teilchen die Schockfront passiert, gewinnt es etwa 1% mehr Geschwindigkeit - schließlich genug, um sich als kosmische Strahlung zu befreien. "Astronauten haben dokumentiert, dass sie tatsächlich Lichtblitze sehen, die mit kosmischen Strahlen verbunden sind", bemerkte Funk. "Das ist einer der Gründe, warum ich ihre Tapferkeit bewundere - die Umgebung dort draußen ist wirklich ziemlich hart." Der nächste Schritt in dieser Forschung, fügte Funk hinzu, besteht darin, die genauen Details des Beschleunigungsmechanismus und auch die maximalen Energien zu verstehen, auf die Supernova-Überreste Protonen beschleunigen können.
Die Studien enden jedoch nicht dort. Weitere neue Hinweise auf Supernovae-Überreste, die wie Teilchenbeschleuniger wirken, wurden bei einer sorgfältigen Beobachtungsanalyse durch die serbische Astronomin Sladjana Nikolic (Max-Planck-Institut für Astronomie) gefunden. Sie sahen sich die Zusammensetzung des Lichts an. Nikolic erklärt: „Dies ist das erste Mal, dass wir einen detaillierten Blick auf die Mikrophysik in und um den Schockbereich werfen konnten. Wir fanden Hinweise auf eine Vorläuferregion direkt vor dem Schock, die als Voraussetzung für die Erzeugung kosmischer Strahlen angesehen wird. Außerdem wird die Vorläuferregion genau so erwärmt, wie man es erwarten würde, wenn Protonen Energie aus der Region direkt hinter dem Schock abführen würden. “
Nikolic und ihre Kollegen verwendeten den Spektrographen VIMOS am Very Large Telescope des European Southern Observatory in Chile, um einen kurzen Abschnitt der Schockfront der Supernova SN 1006 zu beobachten und zu dokumentieren. Diese neue Technik ist als integrale Feldspektroskopie bekannt - ein erstmaliger Prozess Dadurch können Astronomen die Zusammensetzung des Lichts aus dem Supernova-Überrest gründlich untersuchen. Kevin Heng von der Universität Bern, einer der Betreuer von Nikolics Doktorarbeit, sagt: „Wir sind besonders stolz auf die Tatsache, dass wir es geschafft haben, die integrale Feldspektroskopie auf eher unorthodoxe Weise einzusetzen, da sie normalerweise für das Studium von verwendet wird Galaxien mit hoher Rotverschiebung. Auf diese Weise haben wir eine Präzision erreicht, die alle bisherigen Studien weit übertrifft. “
Es ist wirklich eine faszinierende Zeit, Supernovae-Überreste genauer zu betrachten - insbesondere in Bezug auf kosmische Strahlung. Nikolic erklärt: „Dies war ein Pilotprojekt. Die Emissionen, die wir aus dem Supernova-Überrest beobachtet haben, sind im Vergleich zu den für diesen Instrumententyp üblichen Zielobjekten sehr, sehr schwach. Jetzt, da wir wissen, was möglich ist, ist es wirklich aufregend, über Folgeprojekte nachzudenken. " Glenn van de Ven vom Max-Planck-Institut für Astronomie, Nikolics anderer Co-Supervisor und Experte für integrale Feldspektroskopie, fügt hinzu: „Diese Art von neuartigem Beobachtungsansatz könnte der Schlüssel zur Lösung des Rätsels sein, wie kosmische Strahlung erzeugt wird Supernova-Überreste. “
Roger Blandford, Direktor des Kavli-Instituts, der an der Fermi-Analyse teilgenommen hat, sagte: „Es ist passend, dass eine so klare Demonstration, die zeigt, dass Supernova-Überreste die kosmische Strahlung beschleunigen, kam, als wir den 100. Jahrestag ihrer Entdeckung feierten. Es zeigt, wie schnell unsere Entdeckungsfähigkeiten voranschreiten. “
Ursprüngliche Quellen für Geschichten und weiterführende Literatur: Neuartiger Ansatz auf der Suche nach Beschleunigern für kosmische Teilchen, Fermi der NASA beweist, dass Supernova-Überreste kosmische Strahlen produzieren, und Beweis: Kosmische Strahlen stammen von explodierenden Sternen.
