Wissenschaft

Rätsel gelöst: Woher kommen die kosmischen Strahlen der Milchstraße?

Kosmische Strahlung verursacht die chemische Entwicklung interstellarer Materie. Deshalb ist es wichtig, sie zu verstehen, um die Entwicklung unserer Galaxie zu verstehen.

Astronomen glauben, dass die Supernova-Überreste die kosmische Strahlung in unserer Milchstraße beschleunigen. Die Strahlen gelangen dann mit Lichtgeschwindigkeit zur Erde. Jüngste Gammastrahlen-Beobachtungen haben gezeigt, dass viele Supernova-Überreste Gammastrahlen mit Teraelektronenvolt (TeV)-Energien emittieren.

Wenn Protonen die Gammastrahlen erzeugen, wäre es einfacher, den Supernova-Überrest zu verifizieren Ursprung der kosmischen Strahlung. Gammastrahlen werden jedoch auch von Elektronen erzeugt. Daher ist es notwendig zu bestimmen, ob der Protonen- oder Elektronenursprung dominant ist und das Verhältnis der beiden Beiträge zu messen.

Schematische Darstellungen der Erzeugung von Gammastrahlen durch Protonen der kosmischen Strahlung
Schematische Bilder der Erzeugung von Gammastrahlen durch Protonen und Elektronen der kosmischen Strahlung. Protonen der kosmischen Strahlung interagieren mit interstellaren Protonen wie molekularem und atomarem Wasserstoffgas. Die Wechselwirkung erzeugt ein neutrales Pion, das schnell in zwei Gammastrahlen-Photonen zerfällt (hadronischer Prozess). Elektronen der kosmischen Strahlung aktivieren interstellare Photonen (hauptsächlich Cosmic Microwave Background; CMB) über inverse Compton-Streuung (leptonischer Prozess) zu Gammastrahlen. (Quelle: Astrophysics Laboratory, University of Nagoya)

In einer neuen Studie haben Astronomen erfolgreich die Protonen- und Elektronenkomponenten der kosmischen Strahlung in a . quantifiziert Supernova-Überrest. Sie fanden heraus, dass die relativistischen Protonen für fast 70 % der hochenergetischen Gammastrahlen verantwortlich sind, die von der kosmischen Strahlung emittiert werden.

Astronomen führten neue bildgebende Analysen von Radio-, Röntgen- und Gammastrahlen durch. Dies ist das erste Mal, dass die Menge an kosmischer Strahlung, die in einem Supernova-Überrest produziert wird, quantitativ nachgewiesen wurde. Dies ist ein bahnbrechender Schritt zur Aufklärung des Ursprungs von kosmische Strahlung.

Die Ergebnisse dieser Studie liefern überzeugende Beweise für Gammastrahlen aus der Protonenkomponente, der Hauptkomponente der kosmischen Strahlung, und verdeutlichen, dass Supernova-Überreste galaktische kosmische Strahlung produzieren.

Es ist bekannt, dass die Intensität der Gammastrahlen von Protonen proportional zu der interstellares Gas Dichte, die durch Beobachtungen von Funklinien erhalten wurde. Andererseits wird auch erwartet, dass die Gammastrahlung von Elektronen proportional zur Röntgenstrahlenintensität von Elektronen ist. Daher drückten sie die gesamte Gammastrahlenintensität als Summe zweier Gammastrahlenkomponenten aus, einer vom Protonenursprung und der anderen vom Elektronenursprung. Dies führte zu einem einheitlichen Verständnis von drei unabhängigen Beobachtern.

Karten der Gammastrahlenintensität Ng
Karten der Gammastrahlungsintensität Ng, der interstellaren Gasdichte Np und der Röntgenintensität Nx. (Quelle: Astrophysics Laboratory, University of Nagoya)

Diese Methode wurde erstmals in dieser Studie vorgeschlagen. Als Ergebnis wurde gezeigt, dass Gammastrahlen von Protonen und Elektronen 70% bzw. 30% der gesamten Gammastrahlen ausmachen.

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Dies ist das erste Mal, dass Astronomen die beiden Ursprünge quantifiziert haben. Sie zeigen auch, dass Protonen-Gammastrahlen in interstellaren gasreichen Regionen dominiert werden, während Elektronen-Gammastrahlen in gasarmen Regionen verstärkt werden. Dies bestätigt, dass die beiden Mechanismen zusammenwirken und unterstützt die Vorhersagen früherer theoretischer Studien.

Emeritierter Professor Yasuo Fukui at Universität von Nagoya genannt, „Ohne internationale Kooperationen wäre diese neue Methode nicht möglich gewesen. Es wird auf weitere Supernova-Überreste angewendet, wobei das Gammastrahlenteleskop der nächsten Generation CTA (Cherenkov Telescope Array) zusätzlich zu den bestehenden Observatorien verwendet wird, was die Erforschung des Ursprungs der kosmischen Strahlung erheblich voranbringen wird.

Zeitschriftenreferenz:
  1. Yasuo Fukui, Hidetoshi Sano ua Auf der Suche nach dem Ursprung der Gammastrahlen in RX J1713.7-3946 Quantifizierung der hadronischen und leptonischen Komponenten. DOI: 10.3847/1538-4357/abff4a

Lili Falk

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