Αποκάλυψη ενός μυστηρίου αστροφυσικής 100 ετών: Από πού προέρχονται οι κοσμικές ακτίνες του Γαλαξία

 Οι αστρονόμοι πέτυχαν για πρώτη φορά την ποσοτικοποίηση των συστατικών πρωτονίων και ηλεκτρονίων των κοσμικών ακτίνων σε ένα υπόλειμμα σουπερνόβα. 

Χάρτες της έντασης των ακτίνων-γ Ng, της πυκνότητας του διαστρικού αερίου Np και της έντασης των ακτίνων-Χ Nx. Πηγή: Εργαστήριο Αστροφυσικής, Πανεπιστήμιο Nagoya

Τουλάχιστον το 70% των ακτίνων γάμμα πολύ υψηλής ενέργειας που εκπέμπονται από τις κοσμικές ακτίνες οφείλονται σε σχετικιστικά πρωτόνια, σύμφωνα με τη νέα ανάλυση απεικόνισης της ακτινοβολίας ραδιοκυμάτων, ακτίνων Χ και ακτίνων γάμμα. Η θέση επιτάχυνσης των πρωτονίων, τα κύρια συστατικά των κοσμικών ακτίνων, ήταν ένα μυστήριο 100 χρόνων στη σύγχρονη αστροφυσική, αυτή είναι η πρώτη φορά που η ποσότητα των κοσμικών ακτίνων που παράγονται σε ένα υπόλειμμα σουπερνόβα αποδεικνύεται ποσοτικά και αποτελεί μια εποχή κάνοντας βήμα στη διαλεύκανση της προέλευσης των κοσμικών ακτίνων.

 Η προέλευση των κοσμικών ακτίνων, τα σωματίδια με την υψηλότερη ενέργεια στο σύμπαν, ήταν ένα μεγάλο μυστήριο από την ανακάλυψή τους το 1912. Επειδή οι κοσμικές ακτίνες προάγουν τη χημική εξέλιξη της διαστρικής ύλης, η κατανόηση της προέλευσης τους είναι κρίσιμη για την κατανόηση της εξέλιξης του Γαλαξία μας. Οι κοσμικές ακτίνες πιστεύεται ότι επιταχύνονται από υπολείμματα σουπερνόβα (τα επακόλουθα των εκρήξεων σουπερνόβα) στον Γαλαξία μας και ταξιδεύουν στη Γη σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός.

Η πρόσφατη πρόοδος στις παρατηρήσεις ακτίνων γάμα αποκάλυψε ότι πολλά υπολείμματα σουπερνόβα εκπέμπουν ακτίνες γάμμα σε ενέργειες teraelectronvolts (TeV). Εάν οι ακτίνες γάμα παράγονται από πρωτόνια, τα οποία είναι το κύριο συστατικό των κοσμικών ακτίνων, τότε η υπολειμματική προέλευση των σουπερνόβα των κοσμικών ακτίνων μπορεί να επαληθευτεί. Ωστόσο, οι ακτίνες γάμα παράγονται επίσης από ηλεκτρόνια, είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί εάν η προέλευση πρωτονίου ή ηλεκτρονίου είναι κυρίαρχη και να μετρηθεί η αναλογία των δύο συνεισφορών (βλ. Επίσης Σχήμα 1).

Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης παρέχουν συναρπαστικά στοιχεία για ακτίνες γάμα που προέρχονται από το συστατικό πρωτονίου, το οποίο είναι το κύριο συστατικό των κοσμικών ακτίνων, και διευκρινίζουν ότι οι γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες παράγονται από υπολείμματα σουπερνόβα.

Τρισδιάστατη προσαρμογή ενός επίπεδου επιπέδου που εκφράζεται από την εξίσωση Ng = a Np + b Nx, όπου a και b είναι σταθερές. Τα σημεία των δεδομένων χρωματίζονται με τον κώδικα στο σχήμα σύμφωνα με το Ng και εμφανίζονται με συμπληρωμένα και ανοικτά σύμβολα για εκείνα που βρίσκονται πάνω και κάτω από το επίπεδο. Το μπλε, το πράσινο, το κίτρινο και το κόκκινο αντιπροσωπεύουν ότι το Ng είναι μικρότερο από 1,2 counts arcmin-2, 1,2-1,7 counts arcmin-2, 1,7-2,2 counts arcmin-2 και μεγαλύτερο από 2,2 counts arcmin-2, αντίστοιχα. Οι μπλε, πράσινες, πορτοκαλί, κόκκινες και μοβ διακεκομμένες γραμμές στο επίπεδο βέλτιστης προσαρμογής δείχνουν 1,0, 1,5, 2,0, 2,5 και 3,0 counts arcmin-2, αντίστοιχα. Πηγή: Εργαστήριο Αστροφυσικής, Πανεπιστήμιο Nagoya

Translated with www.DeepL.com/Translator (free version)
 

 Η πρωτοτυπία αυτής της έρευνας είναι ότι η ακτινοβολία γάμμα αντιπροσωπεύεται από έναν γραμμικό συνδυασμό συστατικών πρωτονίων και ηλεκτρονίων. Οι αστρονόμοι γνώριζαν μια σχέση ότι η ένταση της ακτίνας γάμμα από τα πρωτόνια είναι ανάλογη της πυκνότητας του διαστρικού αερίου που λαμβάνεται από τις παρατηρήσεις απεικόνισης ραδιοφωνικών γραμμών. Από την άλλη πλευρά, οι ακτίνες γάμμα από ηλεκτρόνια αναμένεται επίσης να είναι ανάλογες με την ένταση των ακτίνων Χ από τα ηλεκτρόνια. Ως εκ τούτου, εξέφρασαν τη συνολική ένταση ακτίνων γάμμα ως το άθροισμα δύο συστατικών ακτίνων γάμμα, το ένα από την προέλευση πρωτονίων και το άλλο από την προέλευση ηλεκτρονίων. Αυτό οδήγησε σε μια ενοποιημένη κατανόηση τριών ανεξάρτητων παρατηρήσιμων (Εικόνα 2).

Αυτή η μέθοδος προτάθηκε για πρώτη φορά σε αυτή τη μελέτη. Ως αποτέλεσμα, αποδείχθηκε ότι οι ακτίνες γάμμα από πρωτόνια και ηλεκτρόνια αντιπροσωπεύουν το 70% και το 30% των συνολικών ακτίνων γάμα, αντίστοιχα. Αυτή είναι η πρώτη φορά που οι δύο πηγές έχουν ποσοτικοποιηθεί. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν επίσης ότι οι ακτίνες γάμμα από πρωτόνια κυριαρχούνται σε περιοχές πλούσιες σε αστρικά αέρια, ενώ οι ακτίνες γάμμα από ηλεκτρόνια ενισχύονται στην περιοχή που είναι φτωχή σε αέρια. Αυτό επιβεβαιώνει ότι οι δύο μηχανισμοί συνεργάζονται και υποστηρίζουν τις προβλέψεις προηγούμενων θεωρητικών μελετών.

«Αυτή η νέα μέθοδος δεν θα μπορούσε να είχε επιτευχθεί χωρίς διεθνείς συνεργασίες», λέει ο Ομότιμος Καθηγητής Yasuo Fukui στο Πανεπιστήμιο της Ναγκόγια. Ηγήθηκε αυτού του έργου και έχει ποσοτικοποιήσει με ακρίβεια την κατανομή της αστρικής πυκνότητας αερίου χρησιμοποιώντας το ραδιοτηλεσκόπιο NANTEN και τη Συγκέντρωση Τηλεσκοπίου Αυστραλίας από το 2003.

Αν και η ανάλυση των ακτίνων γάμμα ήταν ανεπαρκής για την πλήρη ανάλυση εκείνη την εποχή, ο καθηγητής Gavin Rowell και η Dr. Sabrina Einecke από το Πανεπιστήμιο της Αδελαΐδας και η ομάδα του HESS βελτίωσαν δραματικά τη χωρική ανάλυση και την ευαισθησία των ακτίνων γάμα με την πάροδο των ετών, καθιστώντας το δυνατό να τα συγκρίνουμε ακριβώς με το διαστρικό αέριο. 

Ο Δρ Hidetoshi Sano του Εθνικού Αστρονομικού Αστεροσκοπείου της Ιαπωνίας οδήγησε την ανάλυση απεικόνισης με ακτίνες Χ των αρχείων αρχείων από τον ευρωπαϊκό δορυφόρο ακτίνων Χ XMM-Newton. Ο Δρ Einecke και ο Καθηγητής Rowell συνεργάστηκαν στενά με τον Καθηγητή Fukui και τον Δρ Sano για την πραγματοποίηση των λεπτομερών μελετών που εξέτασαν τους συσχετισμούς μεταξύ των εκπομπών ακτίνων γάμμα, ακτίνων Χ και ραδιοφώνου.

"Αυτή η νέα μέθοδος θα εφαρμοστεί σε περισσότερα υπολείμματα σουπερνόβα χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο ακτίνων γάμα επόμενης γενιάς CTA (Cherenkov Telescope Array) εκτός από τα υπάρχοντα παρατηρητήρια, τα οποία θα προωθήσουν σημαντικά τη μελέτη της προέλευσης των κοσμικών

[via]