Nieuwe bevindingen deze week gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven suggereren dat koolstof, zuurstof, en waterstof kosmische stralen reizen op een vergelijkbare manier door de melkweg naar de aarde, maar, verrassend genoeg, dat ijzer anders op aarde aankomt. Meer leren over hoe kosmische straling door de melkweg beweegt, helpt bij het aanpakken van een fundamentele, slepende vraag in de astrofysica:hoe wordt materie gegenereerd en verspreid over het universum?

"Dus wat betekent deze bevinding?" vraagt ​​John Krizmanic, een senior wetenschapper bij UMBC's Center for Space Science and Technology (CSST). "Dit zijn indicatoren van iets interessants dat gebeurt. En wat dat iets interessants is, zullen we moeten zien."

Kosmische stralen zijn atoomkernen - atomen ontdaan van hun elektronen - die constant met bijna de lichtsnelheid door de ruimte zoeven. Ze komen de atmosfeer van de aarde binnen met extreem hoge energieën. Informatie over deze kosmische straling kan wetenschappers aanwijzingen geven over waar ze vandaan kwamen in de melkweg en wat voor soort gebeurtenis ze heeft veroorzaakt.

Een instrument op het International Space Station (ISS), de Calorimetric Electron Telescope (CALET) genaamd, verzamelt sinds 2015 gegevens over kosmische straling. De gegevens bevatten details zoals hoeveel en welke soorten atomen aankomen, en met hoeveel energie ze aankomen. De Amerikaan, Italiaans, en Japanse teams die CALET beheren, waaronder UMBC's Krizmanic en postdoc Nick Cannady, meegewerkt aan het nieuwe onderzoek.

Strijken voor onderweg

Kosmische stralen komen van elders in de melkweg naar de aarde met een enorm scala aan energieën - overal van 1 miljard volt tot 100 miljard miljard volt. Het CALET-instrument is een van de weinige in de ruimte die fijne details kan leveren over de kosmische straling die het detecteert. Een grafiek die een kosmisch stralingsspectrum wordt genoemd, laat zien hoeveel kosmische stralen op elk energieniveau bij de detector aankomen. De spectra voor koolstof, zuurstof, en waterstof kosmische straling lijken erg op elkaar, maar de belangrijkste bevinding van het nieuwe artikel is dat het spectrum voor ijzer significant verschilt.

Er zijn verschillende mogelijkheden om de verschillen tussen ijzer en de drie lichtere elementen te verklaren. De kosmische stralen kunnen op een andere manier versnellen en door de melkweg reizen, hoewel wetenschappers over het algemeen denken dat ze het laatste begrijpen, zegt Krizmanic.

"Iets dat moet worden benadrukt, is dat de manier waarop de elementen van de bronnen naar ons komen anders is, maar het kan zijn dat de bronnen ook anders zijn, " voegt Michael Cherry toe, emeritus hoogleraar natuurkunde aan de Louisiana State University (LSU) en co-auteur van het nieuwe artikel. Wetenschappers geloven over het algemeen dat kosmische straling afkomstig is van exploderende sterren (supernovae), maar neutronensterren of zeer massieve sterren kunnen andere potentiële bronnen zijn.

Precisie op het volgende niveau

Een instrument als CALET is belangrijk voor het beantwoorden van vragen over hoe kosmische stralen versnellen en reizen, en waar ze vandaan komen. Instrumenten op de grond of ballonnen die hoog in de atmosfeer van de aarde werden gevlogen, waren in het verleden de belangrijkste bron van gegevens over kosmische straling. Maar tegen de tijd dat kosmische stralen die instrumenten bereiken, ze hebben al interactie gehad met de atmosfeer van de aarde en zijn afgebroken tot secundaire deeltjes. Met op aarde gebaseerde instrumenten, het is bijna onmogelijk om precies te bepalen hoeveel primaire kosmische straling en welke elementen aankomen, plus hun energie. Maar CALET, in het ISS boven de atmosfeer zijn, kan de deeltjes direct meten en individuele elementen nauwkeurig onderscheiden.

IJzer is een bijzonder nuttig element om te analyseren, legt Cannady uit, een postdoc bij CSST en een voormalig Ph.D. student met Cherry aan de LSU. Op weg naar de aarde, kosmische straling kan uiteenvallen in secundaire deeltjes, en het kan moeilijk zijn om onderscheid te maken tussen originele deeltjes die uit een bron (zoals een supernova) worden uitgestoten en secundaire deeltjes. Dat bemoeilijkt afleidingen over waar de deeltjes oorspronkelijk vandaan kwamen.

"Terwijl dingen op hun weg naar ons op elkaar inwerken, dan krijg je in wezen conversies van het ene element naar het andere, "zegt Cannady. "IJzer is uniek, omdat het een van de zwaarste dingen is die gesynthetiseerd kunnen worden in reguliere stellaire evolutie, we zijn er vrij zeker van dat het vrijwel alle primaire kosmische straling is. Het is de enige zuivere primaire kosmische straal, waar je bij anderen ook een aantal secundaire componenten zult hebben."

"Gemaakt van sterrenstof"

Het meten van kosmische straling geeft wetenschappers een uniek beeld van hoogenergetische processen die ver plaatsvinden, ver weg. De kosmische stralen die aankomen bij CALET vertegenwoordigen "het materiaal waaruit we zijn gemaakt. We zijn gemaakt van sterrenstof, "zegt Cherry. "En energetische bronnen, dingen als supernova's, werpen dat materiaal uit hun interieur, de melkweg in, waar het wordt gedistribueerd, vormt nieuwe planeten, zonnestelsels, en wij."

"De studie van kosmische straling is de studie van hoe het universum materie genereert en verdeelt, en hoe dat de evolutie van de melkweg beïnvloedt, Krizmanic voegt eraan toe. "Dus eigenlijk bestudeert het de astrofysica van deze motor die we de Melkweg noemen en die al deze elementen rondslingert."

Een wereldwijde inspanning

De Japanse ruimtevaartorganisatie lanceerde CALET en leidt vandaag de missie in samenwerking met de Amerikaanse en Italiaanse teams. In de VS, het CALET-team omvat onderzoekers van LSU; NASA Goddard Space Flight Center; UMBC; Universiteit van Maryland, Collegepark; Universiteit van Denver; en Washington University. Het nieuwe artikel is het vijfde van deze zeer succesvolle internationale samenwerking, gepubliceerd in PRL, een van de meest prestigieuze natuurkundetijdschriften.

CALET is geoptimaliseerd om kosmische stralingselektronen te detecteren, omdat hun spectrum informatie over hun bronnen kan bevatten. Dat geldt vooral voor bronnen die in galactische termen relatief dicht bij de aarde staan:op minder dan een dertigste van de afstand over de Melkweg. Maar CALET detecteert ook heel precies de atoomkernen van kosmische straling. Nu bieden die kernen belangrijke inzichten over de bronnen van kosmische straling en hoe ze naar de aarde zijn gekomen.

"We hadden niet verwacht dat de kernen - de koolstof, zuurstof, protonen, ijzer - zou echt enkele van deze gedetailleerde verschillen gaan vertonen die duidelijk wijzen op dingen die we niet weten, ' zegt Kers.

De nieuwste bevinding roept meer vragen op dan ze beantwoordt, benadrukkend dat er nog meer te leren valt over hoe materie wordt gegenereerd en zich door de melkweg beweegt. "Dat is een fundamentele vraag:hoe maak je materie?" zegt Krizmanic. Maar, hij voegt toe, "Dat is het hele punt waarom we in deze business zijn gegaan, om te proberen meer te begrijpen over hoe het universum werkt."