Pulsare sprengen kosmische Strahlen mit einer Million Milliarden Elektronenvolt

Wir leben in einer aufregenden Zeit, in der Instrumente der nächsten Generation und verbesserte Methoden zu Entdeckungen in Astronomie, Astrophysik, Planetenwissenschaften und Kosmologie führen. Während wir weiter und detaillierter in den Kosmos blicken, werden einige der beständigsten Mysterien endlich beantwortet. Von besonderem Interesse sind kosmische Strahlen, die winzigen Teilchen aus Protonen, Atomkernen oder Streuelektronen, die auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden. Diese Partikel stellen eine große Gefahr für Astronauten dar, die sich über das schützende Magnetfeld der Erde hinauswagen.

Gleichzeitig interagieren kosmische Strahlen regelmäßig mit unserer Atmosphäre (wobei „Schauer“ von Sekundärteilchen erzeugt werden) und haben möglicherweise sogar eine Rolle dabei gespielt Evolution des Lebens auf der Erde. Aufgrund der Art und Weise, wie sie eine elektrische Ladung tragen, die sich auf ihrem Weg durch das Magnetfeld der Milchstraße verirrt, war es für Astronomen schwierig herauszufinden, woher kosmische Strahlung stammt. Aber dank einer neuen Studie, die 12 Jahre Daten der NASA untersucht hat Fermi Gammastrahlen-WeltraumteleskopWissenschaftler haben bestätigt, dass die stärksten von Schockwellen stammen, die von Supernova-Überresten verursacht werden.

Die Recherche wurde geleitet von Ke Fangein Assistenzprofessor mit der Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center an der University of Wisconsin-Madison. Zu ihr gesellten sich Forscher der MarineforschungslaborTee Kavli Institut für Teilchenastrophysik und KosmologieTee SLAC National Accelerator Laboratorydie Katholische Universität von Amerika und die Zentrum für Forschung und Exploration in Weltraumwissenschaft und -technologie (CRESST) im Goddard Space Flight Center der NASA. Tee Papier das ihre Ergebnisse beschreibt, erschien kürzlich in der Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Die Abschwächung der kosmischen Strahlung ist eine der Hauptüberlegungen bei zukünftigen Missionen zum Mond und zum Mars. Wie die Sonnenstrahlung stellen diese hochenergetischen Teilchen aufgrund ihrer Wirkung auf Hautgewebe und Organe, aber auch durch die von ihnen erzeugten „Schauer“ von Sekundärteilchen ein Risiko für die Gesundheit der Astronauten dar. Dies geschieht, wenn kosmische Strahlung mit unserer Atmosphäre in Kontakt kommt, die Teilchen mit niedrigerer Energie wie Neutronen oder Elektronen erzeugt, von denen die meisten in den Weltraum abgelenkt werden.

Im Weltraum jedoch erzeugen kosmische Strahlen Schauer, nachdem sie auf dichtes Material – wie etwa Strahlenschutz – auftreffen. An Bord der ISS erzeugt der Aufprall dieser Strahlen Schauer von Sekundärteilchen, die durch die Hülle dringen und das Innere mit energieärmerer Strahlung füllen. Während ISS-Astronauten ihre Exposition gegenüber dieser Strahlung begrenzen können, indem sie zur Erde zurückkehren, haben Langzeitmissionen diesen Luxus nicht. Bei bemannten Missionen zum Mars verbringen die Astronauten bis zu anderthalb Jahre im Transit, plus mehrere Monate auf der Marsoberfläche.

Aus diesem Grund ist es wichtig zu wissen, woher kosmische Strahlung kommt und welche Art von Energie sie erreichen kann, um verbesserte Schutz- und Minderungsmethoden zu entwickeln. Seit Jahren suchen Astronomen danach, woher die energiereichste kosmische Strahlung kommt – jene, die 1.000 Billionen Elektronenvolt (PeV) übersteigt. Diese Strahlen sind das Zehnfache der Energie, die durch die erzeugt wird Large Hadron Colliderdem leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, und sind fast stark genug, um unserer Galaxie zu entkommen.

„Theoretiker glauben, dass die energiereichsten Protonen der kosmischen Strahlung in der Milchstraße Energien von einer Million Milliarden Elektronenvolt (oder PeV) erreichen“, erklärte Fang kürzlich in einer NASA Pressemitteilung. „Die genaue Natur ihrer Quellen, die wir PeVatrons nennen, war schwer zu bestimmen.“

Ergebnisse des Fermi-Weltraumteleskops, die G106.3+2 (und J2229+6114) in verschiedenen Energiebereichen zeigen. Bildnachweis: NASA/Fermi/Fang et al. 2022

Während es schwierig ist, kosmische Strahlung zu ihrem Ursprung zurückzuverfolgen, haben Wissenschaftler beobachtet, wie sie mit interstellarem Gas in der Nähe von Supernovae kollidieren, wodurch Gammastrahlen (das energiereichste Licht, das es gibt) erzeugt werden. Daraus schlagen Wissenschaftler in a vorheriges Studium (ebenfalls basierend auf Abgeschlossen Daten), dass ein erheblicher Teil der primären kosmischen Strahlung von Supernova-Explosionen stammt. Für ihr Studium hat Prof. Fang und ihre Kollegen analysierten zwölf Jahre Abgeschlossen Datum an SNR G106.3+2ein kometenförmiger Supernova-Überrest, der sich etwa 2.600 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Cepheus befindet.

Mit seinem primären Instrument – ​​​​dem Großflächenteleskop (LAT) – Fermi entdeckte Milliarden-Elektronenvolt (GeV)-Gammastrahlen aus dem verlängerten Schweif von G106.3+2. Ähnliche Beobachtungen wurden mit dem durchgeführt Sehr energiegeladenes Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) Instrument bei der Fred-Lawrence-Whipple-Observatorium im südlichen Arizona, die High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory in Mexiko und die Tibet AS-Gamma-Experiment in China. Diese Observatorien detektierten noch energiereichere Gammastrahlen, die bis zu 100 Billionen Elektronenvolt (TeV) erreichen.

Während Teilchen der kosmischen Strahlung zunächst von den starken Magnetfeldern des Supernova-Überrests eingefangen würden, führt ihr Weg dazu, dass sie wiederholt die Schockwelle der Supernova kreuzen. Die Partikel gewinnen mit jedem Durchgang an Geschwindigkeit und Energie und werden schließlich zu schnell, als dass der Supernova-Überrest sie festhalten könnte. An diesem Punkt fliegen sie in den interstellaren Raum, wo es unglaublich schwierig wird, sie zu ihrer Quelle zurückzuverfolgen. Co-Autorin Henrike Fleischhack, Wissenschaftlerin der Katholische Universität von Amerika in Washington u Das Goddard Space Flight Center der NASA:

„Dieses Objekt erregt schon seit einiger Zeit großes Interesse, aber um es als PeVatron zu krönen, müssen wir beweisen, dass es Protonen beschleunigt. Der Haken an der Sache ist, dass Elektronen, die auf einige hundert TeV beschleunigt werden, die gleiche Emission erzeugen können. Jetzt, mit Hilfe von 12 Jahren Fermi-Daten, glauben wir, dass wir den Beweis erbracht haben, dass G106.3+2.7 tatsächlich ein PeVatron ist.“

Illustration des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA bei der Arbeit. Bildnachweis: NASA GSFC

Der Supernova-Überrest zeichnet sich auch durch den Pulsar J2229+6114 an seinem nördlichen Ende aus, von dem Astronomen glauben, dass er aus derselben Supernova hervorgegangen ist. Dieser Pulsar sendet bei seiner Drehung Gammastrahlen aus, die einen Stroboskopeffekt (wie ein Leuchtturm) erzeugen, dessen Energie typischerweise weniger als 10 GeV beträgt. Diese Emissionen sind nur während der ersten Hälfte der Rotation des Pulsars sichtbar und stellten keine signifikante Störung dar Abgeschlossen. Dennoch war das Forschungsteam in der Lage, die energiereicheren Emissionen von G106.3+2.7 zu isolieren, indem es Gammastrahlen analysierte, die aus dem letzten Teil des Zyklus kamen.

Ihre detaillierte Analyse zeigt mit überwältigender Mehrheit, dass PeV-Protonen die von ihnen beobachteten starken Gammastrahlenemissionen angetrieben haben. Diese Forschung hat gezeigt, dass Supernova-Überreste die Quelle der stärksten kosmischen Strahlung im Universum sind, obwohl einige Fragen offen bleiben. Während Astronomen andere potenzielle Quellen von PeVatrons identifiziert haben – einschließlich aktiver galaktischer Kerne (AGNs) – bleiben Supernova-Überreste ganz oben auf der Liste. Doch von etwa 300 bekannten Überresten wurden nur wenige gefunden, die Gammastrahlen mit diesen Energien emittieren.

„Bisher ist G106.3+2.7 einzigartig, aber es könnte sich als das hellste Mitglied einer neuen Population von Supernova-Überresten herausstellen, die Gammastrahlen aussenden, die TeV-Energien erreichen“, fügte Fang hinzu. „Weitere von ihnen könnten durch zukünftige Beobachtungen von Fermi und sehr hochenergetischen Gammastrahlen-Observatorien aufgedeckt werden.“

Weiterführende Literatur: NASA, Briefe zur körperlichen Überprüfung

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