NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope heeft een zwakke maar uitgestrekte gloed van hoogenergetisch licht ontdekt rond een nabijgelegen pulsar. Indien zichtbaar voor het menselijk oog, deze "halo" van gammastraling zou aan de hemel ongeveer 40 keer groter zijn dan een volle maan. Deze structuur kan de oplossing bieden voor een al lang bestaand mysterie over de hoeveelheid antimaterie in onze buurt.

"Onze analyse suggereert dat dezelfde pulsar verantwoordelijk zou kunnen zijn voor een tien jaar durende puzzel over waarom één type kosmisch deeltje ongewoon overvloedig aanwezig is in de buurt van de aarde, " zei Mattia Di Mauro, een astrofysicus aan de Katholieke Universiteit van Amerika in Washington en NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Dit zijn positronen, de antimaterieversie van elektronen, afkomstig van ergens buiten het zonnestelsel."

Een paper met details over de bevindingen werd gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling D op 17 december en is online beschikbaar.

Een neutronenster is de verbrijzelde kern die achterblijft wanneer een ster die veel massiever is dan de zon zonder brandstof komt te zitten. bezwijkt onder zijn eigen gewicht en explodeert als een supernova. We zien sommige neutronensterren als pulsars, snel ronddraaiende objecten die lichtstralen uitstralen die, net als een vuurtoren, regelmatig over onze gezichtslijn vegen.

Geminga (uitgesproken als geh-MING-ga), ontdekt in 1972 door NASA's Small Astronomy Satellite 2, behoort tot de helderste pulsars in gammastraling. Het bevindt zich op ongeveer 800 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Tweelingen. Geminga's naam is zowel een woordspeling op de uitdrukking "Gemini gammastraalbron" als de uitdrukking "het is er niet" - verwijzend naar het onvermogen van astronomen om het object bij andere energieën te vinden - in het dialect van Milaan, Italië.

Geminga werd uiteindelijk in maart 1991 geïdentificeerd, toen flikkerende röntgenfoto's, opgepikt door de Duitse ROSAT-missie, onthulden dat de bron een pulsar was die 4,2 keer per seconde ronddraaide.

Een pulsar omringt zichzelf van nature met een wolk van elektronen en positronen. Dit komt omdat het intense magnetische veld van de neutronenster de deeltjes van het oppervlak van de pulsar trekt en ze versnelt tot bijna de lichtsnelheid.

Elektronen en positronen behoren tot de snelle deeltjes die bekend staan ​​als kosmische straling, die buiten het zonnestelsel ontstaan. Omdat kosmische stralingsdeeltjes een elektrische lading dragen, hun paden worden vervormd wanneer ze magnetische velden tegenkomen op hun reis naar de aarde. Dit betekent dat astronomen ze niet rechtstreeks naar hun bronnen kunnen traceren.

Het afgelopen decennium is kosmische stralingsmetingen door Fermi, NASA's Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) aan boord van het internationale ruimtestation, en andere ruimte-experimenten in de buurt van de aarde hebben meer positronen met hoge energieën gezien dan wetenschappers hadden verwacht. Nabijgelegen pulsars zoals Geminga waren hoofdverdachten.

Vervolgens, in 2017, wetenschappers met het High-Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC) in de buurt van Puebla, Mexico, bevestigde eerdere detecties vanaf de grond van een kleine gammastralingshalo rond Geminga. Ze observeerden deze structuur bij energieën van 5 tot 40 biljoen elektronvolt - licht met biljoenen keren meer energie dan onze ogen kunnen zien.

Wetenschappers denken dat deze emissie ontstaat wanneer versnelde elektronen en positronen in botsing komen met nabij sterlicht. De botsing verhoogt het licht tot veel hogere energieën. Op basis van de grootte van de halo, het HAWC-team concludeerde dat Geminga-positronen bij deze energieën de aarde slechts zelden bereiken. Als het waar is, het zou betekenen dat de waargenomen positronenovermaat een meer exotische verklaring moet hebben.

Maar de interesse in een pulsar-oorsprong bleef, en Geminga was vooraan en centraal. Di Mauro leidde een analyse van een decennium aan Geminga-gammastralingsgegevens verkregen door Fermi's Large Area Telescope (LAT), die licht met een lagere energie waarneemt dan HAWC.

"Om de halo te bestuderen, we moesten alle andere bronnen van gammastraling aftrekken, inclusief diffuus licht geproduceerd door botsingen van kosmische straling met interstellaire gaswolken, " zei co-auteur Silvia Manconi, een postdoctoraal onderzoeker aan de RWTH Aachen University in Duitsland. "We hebben de gegevens onderzocht met behulp van 10 verschillende modellen van interstellaire emissie."

Wat overbleef toen deze bronnen werden verwijderd, was een enorm, langwerpige gloed van ongeveer 20 graden aan de hemel met een energie van 10 miljard elektronvolt (GeV). Dat is vergelijkbaar met de grootte van het beroemde Big Dipper-sterrenpatroon - en de halo is nog groter bij lagere energieën.

"Lagere-energiedeeltjes reizen veel verder van de pulsar voordat ze in sterlicht komen, een deel van hun energie daaraan overdragen, en boost het licht tot gammastralen. Dit is de reden waarom de gammastraling een groter gebied beslaat bij lagere energieën, " verklaarde co-auteur Fiorenza Donato van het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica en de Universiteit van Turijn. "Ook, Geminga's halo is langwerpig, deels vanwege de beweging van de pulsar door de ruimte."

Het team stelde vast dat de Fermi LAT-gegevens compatibel waren met de eerdere HAWC-waarnemingen. Geminga alleen zou verantwoordelijk kunnen zijn voor maar liefst 20% van de hoogenergetische positronen die werden waargenomen door het AMS-02-experiment. Als we dit extrapoleren naar de cumulatieve emissie van alle pulsars in onze melkweg, de wetenschappers zeggen dat het duidelijk is dat pulsars de beste verklaring blijven voor het overschot aan positronen.

"Ons werk toont het belang aan van het bestuderen van individuele bronnen om te voorspellen hoe ze bijdragen aan kosmische straling, "Zei Di Mauro. "Dit is een aspect van het opwindende nieuwe veld dat multimessenger-astronomie wordt genoemd, waar we het universum bestuderen met behulp van meerdere signalen, zoals kosmische stralen, naast licht."