De oorsprong van kosmische straling, hoogenergetische deeltjes uit de ruimte die voortdurend op aarde inslaan, is een van de meest uitdagende open vragen in de astrofysica. Nu nieuw onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society werpt nieuw licht op de oorsprong van die energetische deeltjes.

Meer dan 100 jaar geleden ontdekt en beschouwd als een potentieel gezondheidsrisico voor vliegtuigbemanningen en astronauten, kosmische straling wordt verondersteld te worden geproduceerd door schokgolven, bijvoorbeeld die het gevolg zijn van supernova-explosies. De meest energetische kosmische stralen die door het universum strijken, bevatten 10 tot 100 miljoen keer de energie die wordt gegenereerd door deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider bij CERN.

De Krabnevel, het overblijfsel van een supernova-explosie die bijna 1 werd waargenomen 000 jaar geleden in 1054 na Christus, is een van de best bestudeerde objecten in de geschiedenis van de astronomie en een bekende bron van kosmische straling. Het zendt straling uit over het hele elektromagnetische spectrum, van gammastraling, ultraviolet en zichtbaar licht, tot infrarood- en radiogolven. Het meeste van wat we zien komt van zeer energetische deeltjes (elektronen), en astrofysici kunnen gedetailleerde modellen construeren om te proberen de straling die deze deeltjes uitzenden te reproduceren.

De nieuwe studie, door Federico Fraschetti aan de Universiteit van Arizona, VS, en Martin Pohl aan de Universiteit van Potsdam, Duitsland, onthult dat de elektromagnetische straling die uit de Krabnevel stroomt, op een andere manier kan ontstaan ​​dan wetenschappers traditioneel dachten:de hele dierentuin van straling kan mogelijk worden verenigd en voortkomen uit een enkele populatie van elektronen, een hypothese die voorheen onmogelijk werd geacht.

Volgens het algemeen aanvaarde model, zodra de deeltjes een schokgrens bereiken, ze stuiteren vele malen heen en weer vanwege de magnetische turbulentie. Tijdens dit proces winnen ze energie - op dezelfde manier als een tennisbal die wordt gestuiterd tussen twee rackets die gestaag dichter bij elkaar komen - en worden ze steeds dichter naar de snelheid van het licht geduwd. Een dergelijk model volgt een idee geïntroduceerd door de Italiaanse natuurkundige Enrico Fermi in 1949.

"De huidige modellen houden niet in wat er gebeurt als de deeltjes hun hoogste energie bereiken, " zei Federico, een stafwetenschapper aan de afdelingen Planetaire Wetenschappen van de Universiteit van Arizona, Astronomie en natuurkunde. "Alleen als we een ander proces van versnelling opnemen, waarbij het aantal hogere energiedeeltjes sneller afneemt dan bij lagere energie, kunnen we het hele elektromagnetische spectrum dat we zien verklaren. Dit vertelt ons dat hoewel de schokgolf de bron is van de versnelling van de deeltjes, de mechanismen moeten anders zijn."

Co-auteur Martin Pohl voegde toe:"Het nieuwe resultaat vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang voor ons begrip van deeltjesversnelling in kosmische objecten, en helpt bij het ontcijferen van de oorsprong van de energetische deeltjes die bijna overal in het universum worden gevonden."

De auteurs concluderen dat een beter begrip nodig is van hoe deeltjes worden versneld in kosmische bronnen, en hoe de versnelling werkt als de energie van de deeltjes erg groot wordt. Verschillende NASA-missies, inclusief ACE, STEREO en WIND, zijn gewijd aan het bestuderen van de vergelijkbare eigenschappen van schokken veroorzaakt door plasma-explosies op het oppervlak van de zon terwijl ze naar de aarde reizen, en kan zo in de nabije toekomst essentiële inzichten in deze effecten opleveren.