science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Het mysterie van zware elementen in galactische kosmische straling

Wetenschappers van SwRI ontwikkelden dit conceptuele beeld van de dynamiek van zware ionen op basis van MMS-waarnemingen. De gekleurde trajectlijnen illustreren hoe alfadeeltjes (He ++ ) gedragen zich als ze een extreme schok ervaren. Sterke magnetische velden veranderen effectief hun baan, door ze in de versnellingszones te plaatsen. Dit proces verklaart hoe zware sporenelementen kunnen worden versneld tot galactische kosmische straling door supernova-gebeurtenissen. Krediet:SwRI

Wetenschappers hebben gegevens van de door het Southwest Research Institute geleide Magnetospheric Multiscale (MMS) -missie gebruikt om de aanwezigheid van energetische zware elementen in galactische kosmische straling (GCR's) te verklaren. GCR's zijn samengesteld uit snel bewegende energetische deeltjes, meestal waterstofionen genaamd protonen, de lichtste en meest voorkomende elementen in het universum. Wetenschappers hebben lang gedebatteerd over hoe sporen van zware ionen in GCR's worden versneld.

De supernova-explosie van een stervende ster veroorzaakt enorme schokgolven die zich door de omringende ruimte voortplanten, het versnellen van ionen op hun pad naar zeer hoge energieën, GCR's maken. Hoe zware ionen worden geactiveerd en versneld is belangrijk omdat ze de herverdeling van massa door het universum beïnvloeden en essentieel zijn voor de vorming van nog zwaardere en chemisch complexere elementen. Ze beïnvloeden ook hoe we astrofysische structuren waarnemen.

"Van zware ionen wordt gedacht dat ze ongevoelig zijn voor een inkomende schokgolf omdat ze minder overvloedig zijn, en de schokenergie wordt overweldigend verbruikt door het overwicht van protonen. Stel je voor dat je op een strand staat terwijl golven het zand onder je voeten verplaatsen, terwijl je op je plek blijft, " zei Dr. Hadi Madanian van SwRI, de hoofdauteur van het artikel over dit onderzoek gepubliceerd in Astrofysische journaalbrieven . "Echter, dat klassieke beeld van hoe zware ionen zich gedragen onder schokomstandigheden is niet altijd wat we hebben gezien in MMS-waarnemingen met hoge resolutie van de ruimte nabij de aarde."

Schokverschijnselen komen ook voor in de omgeving van de aarde. Het magnetische veld van de zon wordt door de interplanetaire ruimte gedragen door de supersonische zonnewindstroom, die wordt belemmerd en omgeleid door de magnetosfeer van de aarde, een bubbel van bescherming rond onze thuisplaneet. Dit interactiegebied wordt de boegschok genoemd vanwege zijn gebogen vorm, vergelijkbaar met de boeggolven die optreden als een boot door water vaart. De boegschok van de aarde vormt zich op een veel kleinere schaal dan supernovaschokken. Echter, soms, omstandigheden van deze kleine schok lijken op die van supernovaresten. Het team gebruikte in-situ metingen met hoge resolutie van het MMS-ruimtevaartuig bij de boegschok om te bestuderen hoe zware ionen worden versneld.

"We hebben een intense versterking van het magnetische veld waargenomen bij de boegschok, een bekende eigenschap geassocieerd met sterke schokken zoals supernovaresten. Vervolgens analyseerden we hoe verschillende ionensoorten zich gedroegen toen ze de boegschok tegenkwamen, Madanian zei. "We ontdekten dat deze versterkte velden de baan van zware ionen aanzienlijk wijzigen, door ze om te leiden naar de versnellingszone van de schok."

Hoewel dit gedrag niet werd verwacht voor zware ionen, het team identificeerde direct bewijs voor dit proces in alfadeeltjes, heliumionen die vier keer zwaarder zijn dan protonen en twee keer zoveel lading hebben.

"De uitstekende resolutie van MMS-waarnemingen heeft ons een veel duidelijker beeld gegeven van hoe een schokgolf de zware elementen van energie voorziet. We zullen dit nieuwe begrip kunnen gebruiken om onze computermodellen van kosmische stralingsversnelling bij astrofysische schokken te verbeteren, " zei David Burgess, een professor in de wiskunde en astronomie aan de Queen Mary University of London en een co-auteur van het artikel. "De nieuwe bevindingen hebben belangrijke implicaties voor de samenstelling van kosmische straling en de waargenomen stralingsspectra van astrofysische structuren."