I en bølge af medieudgivelser lyser de seneste undersøgelser, der er udført af NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope, partikleras astrofysikens verden med nyheden om, hvordan supernovaer kunne være efterkommere af kosmiske stråler. Resten er elektroner og atomkerner. Når de mødes med et magnetfelt, ændres deres stier som en kofangervogn i en forlystelsespark - men der er intet underholdende ved ikke at kende deres oprindelse. Nu har fire års hårdt arbejde udført af videnskabsmænd ved Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology ved Department of Energy's (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory. Der er bevis for, hvordan kosmiske stråler fødes.
”Energierne fra disse protoner er langt ud over, hvad de mest kraftfulde partikelkolliderere på Jorden kan producere,” sagde Stefan Funk, astrofysiker ved Kavli Institute og Stanford University, der ledede analysen. ”I det sidste århundrede har vi lært meget om kosmiske stråler, når de ankommer hertil. Vi har endda haft stærke mistanker om kilden til deres acceleration, men vi har ikke haft entydige beviser for at tage backup af dem, indtil for nylig. ”
Indtil nu var videnskabsmændene ikke klare med nogle oplysninger - f.eks. Hvilke atompartikler der kunne være ansvarlige for emissionerne fra interstellar gas. For at hjælpe deres forskning kiggede de meget tæt på et par gammastråleemitterende supernovarester - kendt som IC 443 og W44. Hvorfor uoverensstemmelsen? I dette tilfælde deler gammastråler lignende energier med kosmiske stråleprotoner og elektroner. For at adskille dem har forskere afsløret den neutrale pion, produktet af kosmiske stråleprotoner, der påvirker normale protoner. Når dette sker, falder pion hurtigt ned i et sæt gammastråler, hvilket efterlader en signaturafbrydelse - en der giver bevis i form af protoner. Oprettet i en proces, der kaldes Fermi Acceleration, forbliver protonerne fangne i supernovas hurtigt bevægelige stød foran og påvirkes ikke af magnetfelter. Takket være denne egenskab var astronomerne i stand til at spore dem direkte tilbage til deres kilde.
”Opdagelsen er den rygende pistol, som disse to supernovarester producerer accelererede protoner,” sagde hovedforsker Stefan Funk, en astrofysiker ved Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology ved Stanford University i Californien. ”Nu kan vi arbejde for bedre at forstå, hvordan de styrer denne bedrift og bestemme, om processen er fælles for alle rester, hvor vi ser gammastråleemission.”
Er det små speedster? Du betcha. Hver gang partiklen passerer over chockfronten vinder den cirka 1% mere hastighed - til sidst nok til at bryde fri som kosmisk stråle. ”Astronauter har dokumenteret, at de faktisk ser lysglimt forbundet med kosmiske stråler,” bemærkede Funk. ”Det er en af grundene til, at jeg beundrer deres mod - miljøet derude er virkelig ret hårdt.” Det næste trin i denne forskning, tilføjede Funk, er at forstå de nøjagtige detaljer i accelerationsmekanismen og også de maksimale energier, som supernovarester kan accelerere protoner til.
Undersøgelserne slutter dog ikke der. Flere nye beviser for supernovaerester, der fungerer som partikelacceleratorer, fremkom under omhyggelig observationsanalyse af den serbiske astronom Sladjana Nikolic (Max Planck Institute for Astronomy). De kiggede på lysets sammensætning. Nikolic forklarer: ”Dette er første gang, vi var i stand til at se detaljeret på mikrofysikken i og omkring chokregionen. Vi fandt bevis for en forløberregion direkte foran chokket, som menes at være en forudsætning for kosmisk stråleproduktion. Også forløberregionen opvarmes på den måde, som man kunne forvente, hvis der var protoner, der transporterer energi fra regionen direkte bag chokket. ”
Nikolic og hendes kolleger beskæftigede spektrografen VIMOS ved European Southern Observatory's Very Large Telescope i Chile for at observere og dokumentere et kort afsnit af chokfronten på supernovaen SN 1006. Denne nye teknik er kendt som integreret felt-spektroskopi - en første gangsproces hvilket gør det muligt for astronomer at undersøge sammensætningen af lyset fra supernovaresten. Kevin Heng fra University of Bern, en af vejlederne for Nikolic's doktorgradsarbejde, siger: ”Vi er især stolte af, at vi formåede at bruge integreret feltspektroskopi på en temmelig uortodoks måde, da det normalt bruges til studiet af høj-rødskift galakser. Dermed opnåede vi et præcisionsniveau, der langt overstiger alle tidligere undersøgelser. ”
Det er virkelig et spændende tidspunkt at se nærmere på supernovaerester - især med hensyn til kosmiske stråler. Som Nikolic forklarer: ”Dette var et pilotprojekt. De emissioner, vi observerede fra supernova-resten, er meget, meget svage i forhold til de sædvanlige målobjekter for denne type instrumenter. Nu hvor vi ved, hvad der er muligt, er det virkelig spændende at tænke på opfølgningsprojekter. ” Glenn van de Ven fra Max Planck-instituttet for astronomi, Nikolic's anden medvejleder og en ekspert i integreret felt-spektroskopi, tilføjer: ”Denne form for ny observationsmetode kunne godt være nøglen til at løse puslespillet om, hvordan kosmiske stråler produceres i supernova rester. ”
Kavli Institute-direktør Roger Blandford, der deltog i Fermi-analysen, sagde: ”Det er passende, at en så klar demonstration, der viser supernovarester, der fremskynder kosmiske stråler, kom, da vi fejrede 100-årsdagen for deres opdagelse. Det bringer hjem, hvor hurtigt vores evner til opdagelse skrider frem. ”
Originale historiekilder og yderligere læsning: Novel tilgang i jagt efter kosmisk partikelaccelerator, NASAs Fermi Proven Supernova Remnants producerer kosmiske stråler og Proof: Cosmic Rays kommer fra eksploderende stjerner.
