Astronomen zijn er voor het eerst in geslaagd de proton- en elektronencomponenten van kosmische straling in een supernovarest te kwantificeren. Minstens 70% van de gammastraling met zeer hoge energie die door kosmische straling wordt uitgezonden, is het gevolg van relativistische protonen, volgens de nieuwe beeldvormingsanalyse van radio, röntgenfoto, en gammastraling. De versnellingsplaats van protonen, de belangrijkste componenten van kosmische straling, is een 100-jarig mysterie in de moderne astrofysica, dit is de eerste keer dat de hoeveelheid kosmische straling die wordt geproduceerd in een supernovarest kwantitatief is aangetoond en is een baanbrekende stap in de opheldering van de oorsprong van kosmische straling.

De oorsprong van kosmische straling, de deeltjes met de hoogste energie in het heelal, is een groot mysterie geweest sinds hun ontdekking in 1912. Omdat kosmische straling de chemische evolutie van interstellaire materie bevordert, het begrijpen van hun oorsprong is van cruciaal belang om de evolutie van onze Melkweg te begrijpen. Men denkt dat de kosmische stralen worden versneld door supernovaresten (de nawerkingen van supernova-explosies) in onze Melkweg en met bijna de lichtsnelheid naar de aarde zijn gereisd. Recente vooruitgang in gammastralingswaarnemingen heeft onthuld dat veel supernovaresten gammastraling uitzenden met teraelectronvolt (TeV) energieën. Als gammastraling wordt geproduceerd door protonen, die het hoofdbestanddeel zijn van kosmische straling, dan kan de oorsprong van de supernovarest van kosmische straling worden geverifieerd. Echter, gammastraling wordt ook geproduceerd door elektronen, het is noodzakelijk om te bepalen of de proton- of elektronenoorsprong dominant is, en om de verhouding van de twee bijdragen te meten (zie ook figuur 1). De resultaten van deze studie leveren overtuigend bewijs van gammastraling afkomstig van de protoncomponent, dat het hoofdbestanddeel is van kosmische straling, en verduidelijken dat Galactische kosmische stralen worden geproduceerd door supernovaresten.

De originaliteit van dit onderzoek is dat gammastraling wordt weergegeven door een lineaire combinatie van proton- en elektronencomponenten. Astronomen kenden een verband dat de intensiteit van gammastraling van protonen evenredig is met de interstellaire gasdichtheid die wordt verkregen door waarnemingen van radiolijnen. Anderzijds, gammastralen van elektronen zullen naar verwachting ook evenredig zijn met de röntgenintensiteit van elektronen. Daarom, ze drukten de totale gammastralingsintensiteit uit als de som van twee gammastralingscomponenten, één van de protonoorsprong en de andere van de elektronenoorsprong. Dit leidde tot een uniform begrip van drie onafhankelijke waarneembaarheden (Figuur 2). Deze methode werd voor het eerst voorgesteld in dit onderzoek. Als resultaat, er werd aangetoond dat gammastraling van protonen en elektronen 70% en 30% van de totale gammastraling uitmaakt, respectievelijk. Dit is de eerste keer dat de twee oorsprongen zijn gekwantificeerd. De resultaten tonen ook aan dat gammastraling van protonen wordt gedomineerd in interstellaire gasrijke gebieden, terwijl gammastralen van elektronen worden versterkt in het gasarme gebied. Dit bevestigt dat de twee mechanismen samenwerken en ondersteunt de voorspellingen van eerdere theoretische studies.

"Deze nieuwe methode was niet mogelijk geweest zonder internationale samenwerkingen, ", zegt emeritus professor Yasuo Fukui van de Universiteit van Nagoya. Hij leidde dit project en heeft sinds 2003 de interstellaire gasdichtheidsverdeling nauwkeurig gekwantificeerd met behulp van de NANTEN-radiotelescoop en de Australia Telescope Compact Array. Hoewel de gammastraalresolutie op dat moment onvoldoende was om een ​​volledige analyse uit te voeren , Professor Gavin Rowell en Dr. Sabrina Einecke van de Universiteit van Adelaide en de H.E.S.S. team de ruimtelijke resolutie en gevoeligheid van gammastralen in de loop der jaren drastisch verbeterd, waardoor ze nauwkeurig kunnen worden vergeleken met interstellair gas. Dr. Hidetoshi Sano van de National Astronomical Observatory of Japan leidde de röntgenbeeldanalyse van archiefdatasets van de Europese röntgensatelliet XMM-Newton. Dr. Einecke en Prof. Rowell werkten nauw samen met Prof. Fukui en Dr. Sano bij het maken van de gedetailleerde studies die de correlaties over de gammastraling onderzochten, Röntgenstraling en radiostraling. "Deze nieuwe methode zal worden toegepast op meer supernovaresten met behulp van de volgende generatie gammastralingstelescoop CTA (Cherenkov Telescope Array) naast de bestaande observatoria, die de studie van de oorsprong van kosmische straling enorm zal bevorderen."