Kosmische stralen vormen hoogenergetische protonen en atoomkernen die afkomstig zijn van sterren (zowel in ons melkwegstelsel als van andere sterrenstelsels) en worden versneld door supernova's en andere hoogenergetische astrofysische objecten.

Ons huidige begrip van het energiespectrum van de Galactische kosmische straling suggereert dat het een machtswet-afhankelijkheid volgt, in die zin dat de spectrale index van protonen die binnen een bepaald energiebereik worden gedetecteerd, daalt door de machtswet naarmate de energie toeneemt.

Maar recente waarnemingen met magnetische spectrometers voor lage energieniveaus en calorimeters voor hoge energieniveaus wijzen op een afwijking van deze variatie in machtswetten, waarbij de spectrale index van protonen groter wordt rond een energie van een paar honderd GeV bij energieën tot 10 TeV . Na deze "spectrale verharding", gekenmerkt door een kleinere absolute waarde van de spectrale index, is een "spectrale verzachting" gedetecteerd boven 10 TeV met behulp van de CALorimetric Electron Telescope (CALET), een ruimtetelescoop die is geïnstalleerd in het internationale ruimtestation.

Er moeten echter betere metingen met hoge statistieken en lage onzekerheid worden uitgevoerd over een breed energiespectrum om deze spectrale structuren te bevestigen.

Dit is precies wat een team van internationale onderzoekers onder leiding van universitair hoofddocent Kazuyoshi Kobayashi van de Waseda University in Japan wilde doen. "Met de gegevens die CALET gedurende ongeveer 6,2 jaar heeft verzameld, hebben we een gedetailleerde spectrale structuur van de protonen van de kosmische straling naar voren gebracht. De nieuwigheid van onze gegevens ligt in de hoge statistische meting over een breder energiebereik van 50 GeV tot 60 TeV, ' zegt Kobayashi.

De bevindingen van hun onderzoek, waaronder bijdragen van professor emeritus Shoji Torii van de Waseda University (PI, of hoofdonderzoeker, van het CALET-project) en professor Pier Simone Marrocchesi van de Universiteit van Siena in Italië, werden gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Brieven .

De nieuwe waarnemingen bevestigden de aanwezigheid van spectrale verharding en verzachting onder en boven 10 TeV, wat suggereert dat het protonenenergiespectrum niet consistent is met een enkele variatie van de machtswet voor het hele bereik. Bovendien komt de spectrale verzachting vanaf ongeveer 10 TeV overeen met een eerdere meting die is gerapporteerd door de ruimtetelescoop Dark Matter Particle Explorer (DAMPE). Interessant genoeg bleek de overgang door spectrale verzachting scherper te zijn dan die door spectrale verharding.

De variaties en de onzekerheid in de nieuwe CALET-gegevens werden gecontroleerd met behulp van Monte Carlo-simulaties. De statistieken werden verbeterd met een factor van ongeveer 2,2 en de spectrale verhardingsfunctie werd bevestigd met een hogere significantie van meer dan 20 sigma's.

Over de betekenis van dit onderzoek gesproken, merkt Kobayashi op dat "dit resultaat aanzienlijk zal bijdragen aan ons begrip van kosmische stralingsversnelling door supernovae en het voortplantingsmechanisme van kosmische straling. De volgende stap zou zijn om onze meting van de protonenspectra uit te breiden naar nog hogere energieën met verminderde systematische onzekerheden. Dit zou gepaard moeten gaan met een verschuiving in het theoretische begrip om de nieuwe waarnemingen te accommoderen."

Het gaat echter niet alleen om kosmische straling. Integendeel, de studie laat zien hoeveel we nog steeds niet begrijpen over ons universum, en dat het de moeite waard is om erover na te denken. + Verder verkennen

Meest nauwkeurige metingen van kosmische stralingsprotonen en heliumspectra boven TeV