Pozostałości po gwieździe rzucają nowe światło na źródło promieni kosmicznych

Powyższe zdjęcie Mgławicy Krab zostało złożone z danych zebranych przez pięć teleskopów obserwujących łącznie niemal w całym zakresie widma elektromagnetycznego: emisja radiowa przedstawiająca wiatr naładowanych cząstek z centralnej gwiazdy neutronowej w czerwieni (Karl G. Jansky VLA), podczerwień wraz z poświatą ziaren pyłu pochłaniających promieniowanie ultrafioletowe i promieniowanie widzialne w kolorze żółtym (Kosmiczny Teleskop Spitzer), zdjęcie wykonane w zakresie widzialnym przedstawiające gorące, włókniste struktury koloru zielonego (Hubble), zdjęcie w ultrafiolecie (niebieski) i w promieniach X (fiolet) przedstawiające wpływ energetycznego obłoku elektronów (XMM-Newton i Obserwatorium Rentgenowskie Chandra). Źródło: NASA/ESA/NRAO/AUI/NSF i G. Dubner (University of Bueno Aires)

Zrozumienie pochodzenia promieni kosmicznych, wysokoenergetycznych cząstek z przestrzeni kosmicznej bezustannie bombardujących Ziemię jest jednym z największych wyzwań współczesnej astrofizyki. Najnowsze wyniki badań opublikowane w periodyku Monthly Notices of the Royal Astronomical Society rzucają nowe światło na pochodzenie tych energetycznych cząstek.

Odkryte ponad 100 lat temu i uważane za potencjalny czynnik szkodliwy dla życia załóg samolotów pasażerskich i astronautów, promienie kosmiczne zazwyczaj uważane są za cząstki powstałe w falach uderzeniowych – np. w eksplozjach supernowych. Najbardziej energetyczne promienie kosmiczne przemykające przez przestrzeń kosmiczną niosą 10 do 100 milionów razy więcej energii niż są w stanie wygenerować zderzacze cząstek takie jak Wielki Zderzacz Hadronów w CERN.

Mgławica Krab, pozostałość po eksplozji supernowej obserwowanej 1000 lat temu w 1054 roku jest jednym z najlepiej zbadanych obiektów w historii astronomii i jednocześnie jednym ze znanych źródeł promieni kosmicznych. Emituje ona promieniowanie w całym zakresie widma elektromagnetycznego: od promieni gamma, przez ultrafiolet i promieniowanie widzialne, po podczerwień i fale radiowe. Większość tego co obserwujemy pochodzi od bardzo energetycznych cząstek (elektronów), a astrofizycy są w stanie tworzyć szczegółowe modele, za pomocą których starają się odtworzyć promieniowanie emitowane przez te cząstki.

Najnowsze badania przeprowadzone przez Federico Fraschetti z Uniwersytetu Arizony oraz Martina Pohla z Uniwersytetu w Poczdamie ujawniają, że promieniowanie elektromagnetyczne docierające do nas z Mgławicy Krab może powstawać w inny sposób niż dotychczas uważali naukowcy: cała paleta promieniowania może potencjalnie być jednorodna i powstawać z pojedynczej populacji elektronów – to hipoteza wcześniej uznawana za niemożliwą.

Zgodnie z ogólnie przyjętym modelem, gdy cząstki osiągną granicę fali uderzeniowej, odbijają się w tę i z powrotem pod wpływem turbulencji magnetycznych. W tym też procesie zyskują one energię – tak jak piłka tenisowa odbijana przez dwie rakiety stale zbliżające się do siebie – i stopniowo ich prędkość zbliża się do prędkości światła. Taki model zgodny jest z teorią zaproponowaną przez włoskiego fizyka Enrico Fermiego w 1949 roku.

“Obecne modele nie obejmują tego co się dzieje gdy cząstki osiągają najwyższą energię”, mówi Federico, naukowiec z Wydziału Planetologii, Astronomii i Fizyki na Uniwersytecie w Arizonie. “Dopiero gdy dodamy inny proces przyspieszania, w którym liczba cząstek wysokoenergetycznych zmniejsza się szybciej niż mniej energetycznych, możemy wytłumaczyć całe widmo elektromagnetyczne, które obserwujemy. To mówi nam, że choć fala uderzeniowa jest źródłem przyspieszenia cząstek, mechanizmy muszą być inne”.

Współautor badania Martin Pohl dodaje: “Nowe wyniki stanowią znaczący postęp na naszej drodze do zrozumienia procesów przyspieszania cząstek w obiektach komicznych, i pozwala nam odszyfrować pochodzenie energetycznych cząstek odkrywanych niemal w całym wszechświecie”.

Źródło: University of Arizona