Astronomer har set en nærliggende pulsar med en mærkelig glorie omkring sig. Den pulsar kan muligvis svare på et spørgsmål, der er forundrede astronomer i nogen tid. Pulsaren hedder Geminga, og den er en af de nærmeste pulsarer til Jorden, omkring 800 lysår væk i stjernebilledet Gemini. Ikke kun er det tæt på Jorden, men Geminga er også meget lys i gammastråler.
Selve glorie er usynlig for vores øjne, selvfølgelig, da det er i gamma-bølgelængderne. (NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope opdagede det.) Men det er stort, der dækker lige så meget af himlen som 40 fulde måner.
Haloen er muligvis ansvarlig for nogle ting, der foregår i vores eget kvarter: der er en overflod af antistof i nærheden af Jorden, og dens tilstedeværelse har forundret forskere i et årti.
”Vores analyse antyder, at den samme pulsar kunne være ansvarlig for et årti-lang puslespil om, hvorfor en type kosmisk partikel er usædvanligt rigeligt i nærheden af Jorden,” sagde Mattia Di Mauro, en astrofysiker ved det katolske universitet i Amerika i Washington og NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Dette er positroner, den antimaterielle version af elektroner, der kommer fra et sted ud over solsystemet."
En pulsar er resterne af en massiv stjerne, der er gået supernova. Geminga er resultatet af en supernovaeksplosion for omkring 300.000 år siden i stjernebilledet Gemini. Det er en roterende neutronstjerne, der er orienteret på en bestemt måde mod Jorden, så dens energi er rettet mod os som et fejende fyr.
En pulsar er naturligt omgivet af en sky af både elektroner og positroner. Det skyldes, at en neutronstjerne har et intenst elektromagnetisk felt, det stærkeste af et kendt objekt. Det supersterke felt trækker partiklerne fra pulsaroverfladen og accelererer dem til nær lyshastighed.
Disse hurtigt bevægende partikler, inklusive elektroner og deres antistof-modstykker, positroner, er kosmiske stråler. Da kosmiske stråler bærer en elektrisk ladning, er de underlagt virkningerne af magnetfelter. Så når de kosmiske stråler når Jorden, kan astronomer ikke finde deres kilde.
I løbet af det sidste årti har forskellige observatorier og eksperimenter påvist mere høje energipositroner i vores nærhed end forventet. NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope, NASAs Alpha Magnetic Spectrometer og andre eksperimenter har alle fundet dem. Forskere forventede, at nærliggende pulsarer, inklusive Geminga, var kilden. Men på grund af den måde, disse positroner er påvirket af magnetiske felter, kunne det ikke bevises.
Indtil 2017.
I det år bekræftede High-Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC), hvad nogle jordbaserede detektioner havde fundet: en lille, men intens gammastrålehalo omkring Geminga. HAWC detekterede energier i halostrukturen på 5 - 40 TeV eller Tera-electron Volt. Det er lys med billioner gange mere energi, end vores øjne kan se.
Oprindeligt troede videnskabsmænd, at halogen med høj energi skyldes accelererede elektroner og positroner, der kolliderer med stjernelys, hvilket ville øge deres energi og gøre dem superlys. Når en ladet partikel overfører noget af sin energi til en foton, kaldes det Inverse-Compton-spredning.
Men holdet, der brugte HAWC til at observere Geminga og dets glorie, kom til en konklusion: disse højenergipositroner ville kun sjældent nå Jorden, baseret på størrelsen på haloen. Så der måtte være en anden forklaring på overflod af positroner i nærheden af Jorden.
Forskere, der studerede tilstedeværelsen af positroner i nærheden af Jorden, krydsede endnu ikke pulsarer fra deres liste. Og som en tæt og lys pulsar fangede Geminga stadig deres interesse.
Mattia Di Mauro ledede et lille team af videnskabsfolk, der studerer et årtiers værdi af Geminga-data fra Fermis Large Area Telescope (LAT.) LAT observerer lavere energilys end HAWC gør. Di Mauro er hovedforfatter for en ny undersøgelse, der præsenterer disse fund. Undersøgelsen har titlen "Påvisning af en? -Ray-glorie omkring Geminga med Fermi-LAT-data og implikationer for positronfluxen." Avisen er offentliggjort i Physics Review.
En af papirets medforfattere er Silvia Manconi, en postdoktorisk forsker ved RWTH Aachen University i Tyskland. I en pressemeddelelse sagde Manconi: ”For at studere glorie måtte vi trække alle andre kilder til gammastråler, inklusive diffust lys produceret af kosmiske strålingskollisioner med interstellare gasskyer. Vi udforskede dataene ved hjælp af 10 forskellige modeller for interstellar emission. ”
Når teamet havde trukket fra alle de andre kilder til gammastråler på himlen, afslørede dataene en enorm aflang struktur; en glorie omkring Geminga. Strukturen med høj energi dækkede 20 grader på himlen ved 20 milliarder elektron volt og et endnu større område ved lavere energier.
Undersøgelse medforfatter Fiorenza Donato er fra det italienske nationale institut for nuklear fysik og University of Turin. I pressemeddelelsen sagde Donato, ”Partikler med lavere energi bevæger sig langt længere fra pulsaren, før de løber ud i stjernelys, overfører en del af deres energi til den og øger lyset til gammastråler. Derfor dækker gammastråleemissionen et større område ved lavere energier, ”forklarede Donato. "Gemingas glorie er også langstrakt delvis på grund af pulsarens bevægelse gennem rummet."
Holdet sammenlignede LAT-data med HAWC-dataene og konkluderede, at datasættene stemte overens. De fandt også, at lyse, nærliggende Geminga kunne være ansvarlig for så meget som 20% af de højenergipositroner, som AMS-02-eksperimentet observerede. Ekstrapolereret fra det til alle de kumulative pulsaremissioner i Mælkevejen, siger teamet, at pulsarer forbliver den bedste forklaring på det originale mysterium: kilden til alle disse positroner i nærheden af Jorden.
”Vores arbejde viser vigtigheden af at studere individuelle kilder for at forudsige, hvordan de bidrager til kosmiske stråler,” sagde Di Mauro. "Dette er et aspekt af det spændende nye felt, der kaldes multimessenger-astronomi, hvor vi studerer universet ved hjælp af flere signaler, som kosmiske stråler ud over lys."
Mere:
- Pressemeddelelse: NASAs Fermi-mission linker i nærheden af Pulsars Gamma-ray ‘Halo’ til Antimatter Puzzle
- Forskningsartikel: Påvisning af en? -Ray-glorie omkring Geminga med Fermi-LAT-data og implikationer for positronfluxen
- Wikipedia: Compton Scattering
