Ursprunget till kosmiska strålar

 

Bild https://www.unige.ch  Kosmiska strålar består främst av protoner, men utöver det av helium, kol, syre och järnkärnor. © Kinesiska vetenskapsakademin.

Kosmiska strålar är de mest energirika partiklarna som observerats i universum och överstiger vida energin i partiklar som produceras av människotillverkade acceleratorer på jorden. Deras exakta ursprung studeras fortfarande och man tror att de härstammar från extrema astrofysiska fenomen, såsom supernovor, jetstrålar från svartahål och pulsarer.

Det kinesiska DAMPE-teleskopet, som sköts upp i december 2015, syftar till att ge svar på ursprunget och naturen hos dessa strålar. Detta rymduppdrag, där astrofysikgruppen från Institutionen för kärn- och partikelfysik (DPNC) vid Genèveuniversitetet (UNIGE) är en av huvudbidragsgivarna har nu gjort ett avgörande genombrott. Genom analys av högprecisionsmätningar insamlade av teleskopet har forskare identifierat en universell egenskap i energispektra hos primära kosmiska strålkärnor  från protoner till järn.

"Kosmiska strålar består främst av protoner, men också av helium, kol, syre och järnkärnor," förklarar Andrii Tykhonov, docent vid DPNC vid Naturvetenskapliga fakulteten på UNIGE och medförfattare till studien. Dessa partiklar kategoriseras också efter sin energi från lågt upp till några miljarder elektronvolt, mellanliggande, från några miljarder till flera hundra miljarder elektronvolt och höga från 1 000 miljarder elektronvolt och mer." Resultaten visar att för alla studerade kärnor minskar antalet partiklar mer och snabbare bortom ett visst värde. 

Detta fenomen kallas "spectral softening". Normalt minskar antalet partiklar redan när energin ökar men här blir denna minskning ännu mer uttalad. Detta sker runt en styvhet på cirka 15 TV (teraelektronvolt). En partikels styvhet mäter motståndet i dess bana mot ett magnetfält. Observationen av en gemensam struktur vid denna styvhet stöder starkt modeller som förklarar att accelerationen och transporten av kosmiska strålar beror på partiklarna styvhet. I kontrast är alternativa modeller, som antyder att energi per nukleon (energi dividerat med antalet nukleoner i partikeln) är en nyckelfaktor, starkt uteslutna av dessa mätningar, med en konfidensnivå på 99,999 %.  Forskningsresultatet har publicerats i Nature och kan läsas här.