Al decenia, onderzoekers gingen ervan uit dat de kosmische straling die de aarde regelmatig vanuit de verre uithoeken van de melkweg bombardeert, wordt geboren wanneer sterren supernova worden - wanneer ze te massief worden om de fusie in hun kernen te ondersteunen en te exploderen.

Die gigantische explosies stuwen atoomdeeltjes inderdaad met de lichtsnelheid over grote afstanden voort. Echter, nieuw onderzoek suggereert dat zelfs supernova's - in staat om hele zonnestelsels te verslinden - niet sterk genoeg zijn om deeltjes te doordrenken met de aanhoudende energie die nodig is om petaelectronvolts (PeV's) te bereiken, de hoeveelheid kinetische energie die wordt bereikt door kosmische straling met zeer hoge energie.

En toch zijn kosmische stralen waargenomen die de atmosfeer van de aarde treffen met precies die snelheden, hun doorgang gemarkeerd, bijvoorbeeld, door de detectietanks van het High-Altitude Water Cherenkov (HAWC)-observatorium bij Puebla, Mexico. In plaats van supernova's, de onderzoekers stellen dat sterrenhopen zoals de Cygnus Cocoon dienen als PeVatrons - PeV-versnellers - die in staat zijn om deeltjes met zulke hoge energiesnelheden door de melkweg te verplaatsen.

Hun paradigmaverschuivende onderzoek levert overtuigend bewijs dat stervormingsgebieden PeVatrons zijn en is gepubliceerd in twee recente artikelen in Natuurastronomie en Astrofysische journaalbrieven .

Kenmerkend voor natuurkundig onderzoek is de samenwerking. Het onderzoek is uitgevoerd door Petra Huentemeyer, hoogleraar natuurkunde aan de Michigan Technological University, samen met recent afgestudeerde Binita Hona '20, promovendus Dezhi Huang, voormalig MTU-postdoc Henrike Fleischhack (nu Katholieke Universiteit/NASA GSFC/CRESST II), Sabrina Casanova aan het Instituut voor Kernfysica Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau, Ke Fang aan de Universiteit van Wisconsin en Roger Blanford aan Stanford, samen met tal van andere medewerkers van het HAWC Observatorium.

Huentemeyer merkte op dat HAWC en natuurkundigen van andere instellingen kosmische straling uit alle richtingen en over vele decennia van energie hebben gemeten. Het is in het volgen van de kosmische straling met de hoogst bekende energie, PeV's, dat hun oorsprong zo belangrijk wordt.

"Er wordt aangenomen dat kosmische stralen onder PeV-energie uit onze melkweg komen, maar de vraag is wat de versnellers zijn die ze kunnen produceren, ' zei Huentemeyer.

Fleischhack zei dat de paradigmaverschuiving die de onderzoekers hebben ontdekt, is dat eerder, wetenschappers dachten dat supernovaresten de belangrijkste versnellers van kosmische straling waren.

"Ze versnellen kosmische straling, maar ze zijn niet in staat om de hoogste energieën te bereiken, " ze zei.

Dus, wat drijft de versnelling van kosmische straling tot PeV-energie?

"Er zijn verschillende andere hints geweest dat sterrenhopen een deel van het verhaal zouden kunnen zijn, "Zei Fleischhack. "Nu krijgen we de bevestiging dat ze in staat zijn om naar de hoogste energieën te gaan."

Sterrenhopen worden gevormd uit de overblijfselen van een supernova-gebeurtenis. Bekend als sterwiegjes, ze bevatten hevige winden en wolken van wervelend puin, zoals die zijn opgemerkt door de onderzoekers in Cygnus OB2 en cluster [BDS2003]8. Binnenkant, verschillende soorten massieve sterren, bekend als spectraaltype O en type B-sterren, zijn bij honderden verzameld in een gebied van ongeveer 30 parsec (108 lichtjaar) in doorsnede.

"Spectrale type O-sterren zijn de meest massieve, " zei Hona. "Als hun winden met elkaar in wisselwerking staan, schokgolven vormen, dat is waar versnelling plaatsvindt."

De theoretische modellen van de onderzoekers suggereren dat de energetische gammastraalfotonen die door HAWC worden gezien, waarschijnlijker worden geproduceerd door protonen dan door elektronen.

"We zullen NASA-telescopen gebruiken om te zoeken naar de tegenhanger-emissie door deze relativistische deeltjes bij lagere energieën, ' zei Fang.

Opvallend is de extreem hoge energie waarmee kosmische straling onze planeet bereikt. Specifieke omstandigheden zijn vereist om deeltjes tot dergelijke snelheden te versnellen.

Hoe hoger de energie, hoe moeilijker het is om de deeltjes op te sluiten - kennis die is verkregen uit deeltjesversnellers hier op aarde in Chicago en Zwitserland. Om te voorkomen dat deeltjes wegsuizen, magnetisme is vereist.

Stellaire clusters - met hun mengsel van wind en opkomende maar krachtige sterren - zijn turbulente gebieden met verschillende magnetische velden die de opsluiting kunnen bieden die deeltjes nodig hebben om te blijven versnellen.

"Restanten van supernova's hebben zeer snelle schokken waarbij de kosmische straling kan worden versneld, maar ze hebben niet het soort lange opsluitingsgebieden, "Zei Casanova. "Dit is waar sterrenhopen nuttig voor zijn. Ze zijn een associatie van sterren die verstoringen kunnen veroorzaken die de kosmische straling beperken en het mogelijk maken dat de schokken ze versnellen."

Maar hoe is het mogelijk om atomaire interacties te meten op galactische schaal 5, 000 lichtjaar van de aarde? De onderzoekers gebruikten 1, 343 dagen aan metingen van HAWC-detectietanks.

Huang legde uit hoe de natuurkundigen van HAWC kosmische straling traceren door de gammastralen te meten die deze kosmische stralen produceren op galactische versnellingslocaties:"We hebben gammastralen niet rechtstreeks gemeten; we hebben de gegenereerde secundaire stralen gemeten. Wanneer gammastralen interageren met de atmosfeer, ze genereren secundaire deeltjes in deeltjesdouches."

"Als deeltjesregens worden gedetecteerd op HAWC, we kunnen de douche en de lading van secundaire deeltjes meten, Huang zei. "We gebruiken de deeltjeslading en tijdinformatie om informatie uit het primaire gamma te reconstrueren."

Naast HAWC, de onderzoekers zijn van plan om samen te werken met het Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO), een observatorium dat momenteel in de planningsfase is en dat Cherenkov-lichtdetectoren zoals HAWC zal bevatten, maar dat zich op het zuidelijk halfrond zal bevinden.

"Het zou interessant zijn om te zien wat we kunnen zien op het zuidelijk halfrond, "Zei Huentemeyer. "We zullen een goed zicht hebben op het galactische centrum dat we niet hebben op het noordelijk halfrond. SWGO zou ons veel meer kandidaten kunnen geven op het gebied van sterclusters."

Toekomstige samenwerkingen over de hemisferen beloven wetenschappers over de hele wereld te helpen de oorsprong van kosmische straling te blijven onderzoeken en meer te weten te komen over de melkweg zelf.