Eine neue Studie unter Verwendung der Beobachtungen des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA enthüllt den ersten eindeutigen Beweis dafür, dass die sich ausbreitenden Trümmer explodierter Sterne einige der sich am schnellsten bewegenden Stoffe im Universum produzieren.
Diese Entdeckung ist ein wichtiger Schritt, um den Ursprung der kosmischen Strahlung zu verstehen, eines der Hauptziele von Fermi.
"Wissenschaftler haben seit ihrer Entdeckung vor einem Jahrhundert versucht, die Quellen hochenergetischer kosmischer Strahlung zu finden", sagte Elizabeth Hays, Mitglied des Forschungsteams und stellvertretende Fermi-Projektwissenschaftlerin am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Md. " Jetzt haben wir schlüssige Beweise dafür, dass Supernova-Überreste, lange die Hauptverdächtigen, die kosmische Strahlung wirklich auf unglaubliche Geschwindigkeiten beschleunigen. “
Der W44-Supernova-Überrest ist in die Molekülwolke eingebettet und interagiert mit ihr, die den Mutterstern gebildet hat. Fermis LAT erkennt GeV-Gammastrahlen (Magenta), die beim Beschuss des Gases mit kosmischen Strahlen, hauptsächlich Protonen, entstehen. Radiobeobachtungen (gelb) vom Karl G. Jansky Very Large Array in der Nähe von Socorro (New Mexico) und Infrarotdaten (rot) vom NASA-Spitzer-Weltraumteleskop zeigen Filamentstrukturen in der Hülle des Überrests. Blau zeigt die Röntgenemission der von Deutschland geführten ROSAT-Mission. Bildnachweis: NASA / DOE / Fermi LAT-Zusammenarbeit, NRAO / AUI, JPL-Caltech, ROSAT
Kosmische Strahlen sind subatomare Teilchen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen. Etwa 90 Prozent von ihnen sind Protonen, der Rest besteht aus Elektronen und Atomkernen. Auf ihrer Reise durch die Galaxie werden die elektrisch geladenen Teilchen durch Magnetfelder abgelenkt. Dies verwirrt ihre Wege und macht es unmöglich, ihre Herkunft direkt zu verfolgen.
Durch eine Vielzahl von Mechanismen können diese schnellen Partikel zur Emission von Gammastrahlen führen, der stärksten Lichtform und einem Signal, das direkt von seinen Quellen zu uns gelangt.
Seit seiner Markteinführung im Jahr 2008 hat Fermis Large Area Telescope (LAT) Gammastrahlen von Supernova-Überresten von Millionen bis Milliarden Elektronenvolt (MeV bis GeV) kartiert. Zum Vergleich liegt die Energie des sichtbaren Lichts zwischen 2 und 3 Elektronenvolt.
Die Fermi-Ergebnisse betreffen zwei bestimmte Supernova-Überreste, die als IC 443 und W44 bekannt sind und von Wissenschaftlern untersucht wurden, um zu beweisen, dass Supernova-Überreste kosmische Strahlen erzeugen. IC 443 und W44 dehnen sich in kalte, dichte interstellare Gaswolken aus. Diese Wolken emittieren Gammastrahlen, wenn sie von Hochgeschwindigkeitspartikeln getroffen werden, die aus den Resten austreten.
Bisher konnten Wissenschaftler nicht feststellen, welche Atompartikel für die Emissionen der interstellaren Gaswolken verantwortlich sind, da Protonen und Elektronen der kosmischen Strahlung Gammastrahlen mit ähnlichen Energien erzeugen. Nach der Analyse von Daten aus vier Jahren sehen die Fermi-Wissenschaftler ein unterscheidbares Merkmal in der Gammastrahlenemission beider Überreste. Das Merkmal wird durch ein kurzlebiges Teilchen verursacht, das als neutrales Pion bezeichnet wird und entsteht, wenn Protonen der kosmischen Strahlung in normale Protonen zerschlagen. Das Pion zerfällt schnell in ein Paar von Gammastrahlen, eine Emission, die bei niedrigeren Energien einen schnellen und charakteristischen Abfall zeigt. Der Low-End-Cutoff fungiert als Finger und liefert einen klaren Beweis dafür, dass die Schuldigen in IC 443 und W44 Protonen sind.
Dieses Komposit mit mehreren Wellenlängen zeigt den Supernova-Rest IC 443, auch als Quallennebel bekannt. Die Fermi GeV-Gammastrahlung wird in Magenta, die optischen Wellenlängen in Gelb und die Infrarotdaten der WISE-Mission (Wide-Field Infrared Survey Explorer) in Blau (3,4 Mikrometer), Cyan (4,6 Mikrometer) und Grün (12 Mikrometer) angezeigt ) und rot (22 Mikron). Cyan-Schleifen zeigen an, wo der Rest mit einer dichten Wolke interstellaren Gases interagiert. Kredit: LAT-Zusammenarbeit der NASA / DOE / Fermi, NOAO / AURA / NSF, JPL-Caltech / UCLA
Die Ergebnisse werden in der Freitagsausgabe der Zeitschrift Science veröffentlicht.
"Die Entdeckung ist, dass diese beiden Supernova-Überreste beschleunigte Protonen produzieren", sagte der leitende Forscher Stefan Funk, Astrophysiker am Kavli-Institut für Teilchenastrophysik und Kosmologie an der Stanford University in Kalifornien Sie schaffen dieses Kunststück und stellen fest, ob der Prozess allen Überresten gemeinsam ist, bei denen Gammastrahlen emittiert werden. “
1949 schlug der Physiker Enrico Fermi, der Namensgeber des Fermi-Teleskops, vor, die energiereichsten kosmischen Strahlen in den Magnetfeldern interstellarer Gaswolken zu beschleunigen. In den folgenden Jahrzehnten zeigten Astronomen, dass Supernova-Überreste die besten Kandidaten der Galaxis für diesen Prozess sind.
Ein geladenes Teilchen, das im Magnetfeld eines Supernova-Überrests gefangen ist, bewegt sich willkürlich durch das Feld und durchquert gelegentlich die führende Stoßwelle der Explosion. Jede Runde durch den Schock erhöht die Geschwindigkeit des Partikels um etwa 1 Prozent. Nach vielen Überquerungen erhält das Teilchen genug Energie, um sich zu befreien und als neugeborener kosmischer Strahl in die Galaxie zu entkommen.
Der Supernova-Überrest IC 443, im Volksmund als Jellyfish Nebula bekannt, befindet sich in 5.000 Lichtjahren Entfernung zum Sternbild Zwillinge und ist vermutlich etwa 10.000 Jahre alt. W44 liegt etwa 9.500 Lichtjahre entfernt vom Sternbild Aquila und ist schätzungsweise 20.000 Jahre alt. Jedes ist die sich ausdehnende Schockwelle und die Trümmer, die sich bilden, wenn ein massereicher Stern explodiert.
Die Entdeckung von Fermi basiert auf einem starken Hinweis auf den Zerfall neutraler Pionen in W44, der vom Gammastrahlenobservatorium AGILE der italienischen Raumfahrtbehörde beobachtet und Ende 2011 veröffentlicht wurde.
Das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA ist eine Partnerschaft zwischen Astrophysik und Teilchenphysik. Goddard verwaltet Fermi. Das Teleskop wurde in Zusammenarbeit mit dem US-Energieministerium mit Beiträgen von akademischen Institutionen und Partnern aus den USA, Frankreich, Deutschland, Italien, Japan und Schweden entwickelt.
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