Astronomen hebben lang gezocht naar de lanceerplaatsen voor enkele van de meest energierijke protonen in onze melkweg. Nu bevestigt een studie met 12 jaar gegevens van NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope dat één supernovarest precies zo'n plek is.

Fermi heeft aangetoond dat de schokgolven van ontplofte sterren deeltjes stimuleren tot snelheden die vergelijkbaar zijn met die van licht. Deze deeltjes, kosmische straling genoemd, hebben meestal de vorm van protonen, maar kunnen atoomkernen en elektronen bevatten. Omdat ze allemaal een elektrische lading dragen, worden hun paden vervormd terwijl ze door het magnetische veld van onze melkweg razen. Omdat we niet meer kunnen zeggen uit welke richting ze afkomstig zijn, maskeert dit hun geboorteplaats. Maar wanneer deze deeltjes botsen met interstellair gas in de buurt van de supernovarest, produceren ze een veelbetekenende gloed in gammastralen - het licht met de hoogste energie dat er is.

"Theoretici denken dat de kosmische stralingsprotonen met de hoogste energie in de Melkweg een miljoen miljard elektronvolt of PeV-energie bereiken", zegt Ke Fang, een assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Wisconsin, Madison. "De precieze aard van hun bronnen, die we PeVatrons noemen, was moeilijk vast te stellen."

Gevangen door chaotische magnetische velden, passeren de deeltjes herhaaldelijk de schokgolf van de supernova en winnen bij elke passage aan snelheid en energie. Uiteindelijk kan het overblijfsel ze niet langer vasthouden en vliegen ze de interstellaire ruimte in.

Opgevoerd tot ongeveer 10 keer de energie die wordt verzameld door 's werelds krachtigste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider, staan ​​PeV-protonen op het punt om helemaal uit ons melkwegstelsel te ontsnappen.

Astronomen hebben een paar vermoedelijke PeVatrons geïdentificeerd, waaronder een in het centrum van onze melkweg. Uiteraard staan ​​supernovaresten bovenaan de kandidatenlijst. Maar van de ongeveer 300 bekende overblijfselen zijn er maar een paar gevonden die gammastralen uitstralen met voldoende hoge energieën.

Een bepaald sterwrak heeft veel aandacht getrokken van gammastraling-astronomen. Genaamd G106.3+2.7, het is een komeetvormige wolk op ongeveer 2600 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Cepheus. Een heldere pulsar bedekt het noordelijke uiteinde van de supernovarest en astronomen denken dat beide objecten tijdens dezelfde explosie zijn gevormd.

Fermi's Large Area Telescope, het belangrijkste instrument, detecteerde miljard-elektron-volt (GeV) gammastralen vanuit de verlengde staart van het overblijfsel. (Ter vergelijking:de energie van zichtbaar licht meet tussen ongeveer 2 en 3 elektronvolt.) Het Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) van het Fred Lawrence Whipple Observatory in het zuiden van Arizona registreerde zelfs nog hogere energie gammastralen uit dezelfde regio. En zowel het Cherenkov Gamma-Ray Observatorium op grote hoogte in Mexico als het Tibet AS-Gamma Experiment in China hebben fotonen gedetecteerd met energieën van 100 biljoen elektronvolt (TeV) uit het gebied dat is onderzocht door Fermi en VERITAS.

"Dit object is al een tijdje een bron van aanzienlijke interesse, maar om het als een PeVatron te bekronen, moeten we bewijzen dat het protonen versnelt", legt co-auteur Henrike Fleischhack van de Katholieke Universiteit van Amerika in Washington en NASA's Goddard Space uit. Vluchtcentrum in Greenbelt, Maryland. "Het probleem is dat elektronen die zijn versneld tot een paar honderd TeV dezelfde emissie kunnen produceren. Nu, met behulp van 12 jaar aan Fermi-gegevens, denken we dat we hebben aangetoond dat G106.3+2.7 inderdaad een PeVatron is."

Een paper met details over de bevindingen, geleid door Fang, werd op 10 augustus gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

De pulsar, J2229+6114, zendt zijn eigen gammastraling uit in een vuurtorenachtig baken terwijl hij draait, en deze gloed domineert het gebied tot energieën van een paar GeV. Het grootste deel van deze emissie vindt plaats in de eerste helft van de rotatie van de pulsar. Het team heeft de pulsar effectief uitgeschakeld door alleen gammastralen te analyseren die uit het laatste deel van de cyclus komen. Onder de 10 GeV is er geen significante emissie uit de staart van het overblijfsel.

Boven deze energie is de interferentie van de pulsar verwaarloosbaar en wordt de extra bron duidelijk. De gedetailleerde analyse van het team geeft een overweldigende voorkeur aan PeV-protonen als de deeltjes die deze gammastraling aansturen.

"Tot nu toe is G106.3+2.7 uniek, maar het kan het helderste lid blijken te zijn van een nieuwe populatie van supernovaresten die gammastralen uitzenden die TeV-energieën bereiken", merkt Fang op. "Meer van hen kunnen worden onthuld door toekomstige observaties door Fermi en zeer-hoge-energetische gammastraling-observatoria."

NASA onderzoekt kosmische mysteries - en deze specifieke puzzel kostte meer dan een decennium aan geavanceerde observaties om op te lossen. + Verder verkennen

Onthulling van een eeuwenoud mysterie:waar de kosmische stralen van de Melkweg vandaan komen