I årtionden, Forskare antog att de kosmiska strålarna som regelbundet bombarderar jorden från galaxens avlägsna delar föds när stjärnorna blir supernova – när de växer för massiva för att stödja fusionen som sker i deras kärnor och exploderar.

Dessa gigantiska explosioner driver verkligen atompartiklar med ljusets hastighet stora avstånd. Dock, ny forskning tyder på att till och med supernovor – som kan sluka hela solsystem – inte är starka nog att genomsyra partiklar med den ihållande energi som behövs för att nå petaelectronvolts (PeVs), mängden kinetisk energi som uppnås av kosmiska strålar med mycket hög energi.

Och ändå har kosmiska strålar observerats träffa jordens atmosfär med exakt de hastigheter, deras passage markerad, till exempel, vid detektionstanken vid High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) observatorium nära Puebla, Mexiko. Istället för supernovor, forskarna hävdar att stjärnhopar som Cygnus Cocoon fungerar som PeVatrons – PeV-acceleratorer – som kan flytta partiklar över galaxen med så höga energihastigheter.

Deras paradigmskiftande forskning ger övertygande bevis för att stjärnbildande regioner är PeVatrons och publiceras i två nya tidningar i Natur astronomi och Astrofysiska tidskriftsbrev .

Ett kännetecken för fysikforskning är hur samarbetsvillig den är. Forskningen utfördes av Petra Huentemeyer, professor i fysik vid Michigan Technological University, tillsammans med nyutexaminerade Binita Hona '20, doktorand Dezhi Huang, tidigare MTU postdoc Henrike Fleischhack (nu vid Catholic University/NASA GSFC/CRESST II), Sabrina Casanova vid Institute of Nuclear Physics Polska vetenskapsakademin i Krakow, Ke Fang vid University of Wisconsin och Roger Blanford vid Stanford, tillsammans med många andra medarbetare i HAWC-observatoriet.

Huentemeyer noterade att HAWC och fysiker från andra institutioner har mätt kosmiska strålar från alla håll och över många decennier av energi. Det handlar om att spåra de kosmiska strålarna med den högsta kända energin, PeVs, att deras ursprung blir så viktigt.

"Kosmiska strålar under PeV-energi tros komma från vår galax, men frågan är vilka acceleratorer som kan producera dem, " sa Huentemeyer.

Fleischhack sa att paradigmskiftet som forskarna har upptäckt är att tidigare, forskare trodde att supernovarester var de viktigaste acceleratorerna för kosmiska strålar.

"De accelererar kosmiska strålar, men de kan inte komma till högsta energier, " Hon sa.

Så, vad är det som driver kosmiska strålars acceleration till PeV-energi?

"Det har funnits flera andra antydningar om att stjärnhopar kan vara en del av historien, " sa Fleischhack. "Nu får vi bekräftelse på att de kan gå till högsta energier."

Stjärnhopar bildas av resterna av en supernovahändelse. Känd som stjärnvaggor, de innehåller våldsamma vindar och moln av virvlande skräp – som de som noterades av forskarna i Cygnus OB2 och kluster [BDS2003]8. Inuti, flera typer av massiva stjärnor som kallas spektraltyp O och typ B-stjärnor samlas i hundratals i ett område med en diameter på cirka 30 parsecs (108 ljusår).

"Spektral typ O-stjärnor är de mest massiva, Hona sa. "När deras vindar interagerar med varandra, stötvågor bildas, det är där acceleration sker."

Forskarnas teoretiska modeller tyder på att de energiska gammastrålningsfotoner som HAWC ser mer sannolikt produceras av protoner än av elektroner.

"Vi kommer att använda NASA-teleskop för att söka efter motsvarighetsutsläpp från dessa relativistiska partiklar vid lägre energier, " sa Fang.

Den extremt höga energin vid vilken kosmiska strålar når vår planet är anmärkningsvärd. Specifika förhållanden krävs för att accelerera partiklar till sådana hastigheter.

Ju högre energi, desto svårare är det att begränsa partiklarna – kunskap hämtad från partikelacceleratorer här på jorden i Chicago och Schweiz. För att förhindra att partiklar susar iväg, magnetism krävs.

Stjärnhopar – med sin blandning av vind och begynnande men kraftfulla stjärnor – är turbulenta regioner med olika magnetfält som kan ge den inneslutning som krävs för att partiklar ska fortsätta att accelerera.

"Supernovarester har mycket snabba stötar där den kosmiska strålen kan accelereras; de har inte den typen av långa instängningsområden, ", sa Casanova. "Det här är vad stjärnhopar är användbara för. De är en sammanslutning av stjärnor som kan skapa störningar som begränsar de kosmiska strålarna och gör det möjligt för stötarna att accelerera dem."

Men hur är det möjligt att mäta atomära interaktioner på en galaktisk skala 5, 000 ljusår från jorden? Forskarna använde 1, 343 dagars mätningar från HAWC-detekteringstankar.

Huang förklarade hur fysikerna vid HAWC spårar kosmisk strålning genom att mäta gammastrålningen som dessa kosmiska strålar producerar vid galaktiska accelerationsplatser:"Vi mätte inte gammastrålar direkt, vi mätte de sekundära strålarna som genererades. När gammastrålar interagerar med atmosfären, de genererar sekundära partiklar i partikelduschar."

"När partikelskurar upptäcks vid HAWC, vi kan mäta duschen och laddningen av sekundära partiklar, Huang sa. "Vi använder information om partikelladdning och tid för att rekonstruera information från det primära gamma."

Förutom HAWC, forskarna planerar att arbeta med Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO), ett observatorium som för närvarande är i planeringsstadiet som kommer att ha Cherenkov-ljusdetektorer som HAWC men som kommer att ligga på södra halvklotet.

"Det skulle vara intressant att se vad vi kan se på södra halvklotet, ", sa Huentemeyer. "Vi kommer att ha en bra utsikt över det galaktiska centrum som vi inte har på norra halvklotet. SWGO kan ge oss många fler kandidater när det gäller stjärnhopar."

Framtida samarbeten över halvklot lovar att hjälpa forskare runt om i världen att fortsätta utforska ursprunget till kosmiska strålar och lära sig mer om själva galaxen.