Een team van wetenschappers uit Rusland en China heeft een model ontwikkeld dat de aard van hoogenergetische kosmische straling (CR's) in onze melkweg verklaart. Deze CR's hebben energieën die een of twee ordes van grootte overtreffen die geproduceerd door supernova-explosies. Het model richt zich vooral op de recente ontdekking van gigantische structuren die Fermi-bubbels worden genoemd.

Een van de belangrijkste problemen in de theorie van de oorsprong van kosmische straling, die bestaan ​​uit hoogenergetische protonen en atoomkernen, is hun versnellingsmechanisme. Het probleem werd in de jaren zestig aangepakt door Vitaly Ginzburg en Sergei Syrovatsky toen ze suggereerden dat CR's worden gegenereerd tijdens supernova-explosies (SN) in de melkweg. Een specifiek mechanisme van versnelling van geladen deeltjes door SN-schokgolven werd in 1977 voorgesteld door Germogen Krymsky en anderen. Vanwege de beperkte levensduur van de schokken, er wordt geschat dat de maximale energie van de versnelde deeltjes niet hoger kan zijn dan 10 ¹⁴ -10 ¹⁵ eV.

De aard van deeltjes met energieën boven 10 . uitleggen ¹⁵ eV staat centraal. Een grote doorbraak in het onderzoek naar de versnellingsprocessen van dergelijke deeltjes kwam toen de Fermi Gamma Ray Space Telescope in november 2010 twee gigantische structuren ontdekte die straling uitzenden in de gammastraalband in het centrale gebied van de melkweg. De structuren zijn langwerpig en symmetrisch in het galactische vlak loodrecht op het centrum, verlenging 50, 000 lichtjaar, of ongeveer de helft van de diameter van de Melkwegschijf. Deze structuren werden bekend als Fermi-bubbels. Later, het Planck-telescoopteam ontdekte hun emissie in de microgolfband.

De aard van Fermi-bubbels is nog onduidelijk, maar de locatie van deze objecten geeft hun verband aan met vroegere of huidige activiteit in het centrum van de melkweg, waar een centraal zwart gat van 10 ⁶ zonnemassa's wordt verondersteld te worden gelokaliseerd. Moderne modellen brengen de bellen in verband met stervorming en/of het vrijkomen van energie in het galactische centrum als gevolg van getijdenverstoring van sterren tijdens hun accretie op een centraal zwart gat. Soortgelijke structuren kunnen worden gedetecteerd in andere galactische systemen met actieve kernen.

Dmitry Chernyshov (gediplomeerde MIPT), Vladimir Dogiel (MIPT-medewerker) en hun collega's uit Hong Kong en Taiwan hebben een reeks artikelen gepubliceerd over de aard van Fermi-bubbels. Ze hebben aangetoond dat de emissie van röntgen- en gammastraling in deze gebieden het gevolg is van processen waarbij relativistische elektronen betrokken zijn die worden versneld door schokgolven die het gevolg zijn van stellaire materie die in een zwart gat valt. In dit geval, de schokgolven moeten zowel protonen als kernen versnellen. Echter, in tegenstelling tot elektronen, relativistische protonen met grotere massa's verliezen nauwelijks energie in de galactische halo en kunnen het hele volume van de melkweg vullen. De auteurs van het artikel suggereren dat gigantische Fermi-bubbelschokfronten protonen die door SN worden uitgezonden opnieuw kunnen versnellen tot energieën van meer dan 10 ¹⁵ eV.

Analyse van de herversnelling van kosmische straling toonde aan dat Fermi-bellen verantwoordelijk kunnen zijn voor de vorming van het CR-spectrum boven de "knie" van het waargenomen spectrum, d.w.z., bij energieën groter dan 3×10 ¹⁵ eV (energiebereik "B" in Fig. 2). Om dit in perspectief te plaatsen, de energie van versnelde deeltjes in de Large Hadron Collider is ook ~10 ¹⁵ eV.

"Het voorgestelde model verklaart de spectrale verdeling van de waargenomen CR-flux. Er kan worden gezegd dat de processen die we hebben beschreven in staat zijn om galactische kosmische straling, gegenereerd in supernova-explosies, opnieuw te versnellen. In tegenstelling tot elektronen, protonen hebben een aanzienlijk langere levensduur, dus wanneer versneld in Fermi-bubbels, ze kunnen het volume van de melkweg vullen en dichtbij de aarde worden waargenomen. Ons model suggereert dat de kosmische straling die hoogenergetische protonen en kernen bevat met een energie lager dan 1015 eV (onder het energiebereik van de "knie" van het waargenomen spectrum), werden gegenereerd in supernova-explosies in de galactische schijf. Dergelijke CR's worden opnieuw versneld in Fermi-bellen tot energieën van meer dan 1015 eV (boven de "knie"). De uiteindelijke verdeling van de kosmische straling wordt weergegeven in het spectrale diagram, ' zegt Vladimir Dogiel.

De onderzoekers hebben een verklaring voorgesteld voor de eigenaardigheden in het CR-spectrum in het energiebereik van 3×10 ¹⁵ tot 10 ¹⁸ eV (energiebereik "B" in Fig. 2). De wetenschappers bewezen dat deeltjes geproduceerd tijdens de SN-explosies en die energieën hebben lager dan 3×10 ¹⁵ eV ervaart opnieuw versnelling in Fermi-bellen wanneer ze van de galactische schijf naar de halo gaan. Redelijke parameters van het model dat de versnelling van de deeltjes in Fermi-bellen beschrijft, kunnen de aard van het spectrum van kosmische straling boven 3×10 verklaren ¹⁵ eV. Het spectrum onder dit bereik blijft ongestoord. Dus, het model is in staat om een ​​spectrale verdeling van kosmische straling te produceren die identiek is aan de waargenomen straling.