Nya rön publicerade denna vecka i Fysiska granskningsbrev föreslå att kol, syre, och kosmiska vätestrålar färdas genom galaxen mot jorden på liknande sätt, men, förvånande, att järn kommer till jorden annorlunda. Att lära sig mer om hur kosmiska strålar rör sig genom galaxen hjälper till att ta itu med en grundläggande, kvardröjande fråga inom astrofysik:Hur genereras och distribueras materia över universum?

"Så vad betyder detta fynd?" frågar John Krizmanic, en senior vetenskapsman vid UMBC:s Center for Space Science and Technology (CSST). "Det här är indikatorer på att något intressant händer. Och vad det där intressanta är vi måste se."

Kosmiska strålar är atomkärnor - atomer avskalade från sina elektroner - som ständigt susar genom rymden med nästan ljusets hastighet. De kommer in i jordens atmosfär med extremt höga energier. Information om dessa kosmiska strålar kan ge forskare ledtrådar om var de kom ifrån i galaxen och vilken typ av händelse som genererade dem.

Ett instrument på den internationella rymdstationen (ISS) kallat Calorimetric Electron Telescope (CALET) har samlat in data om kosmiska strålar sedan 2015. Uppgifterna inkluderar detaljer som hur många och vilka typer av atomer som anländer, och hur mycket energi de kommer med. Amerikanen, italienska, och japanska lag som hanterar CALET, inklusive UMBC:s Krizmanic och postdoc Nick Cannady, samarbetade i den nya forskningen.

Järn i farten

Kosmiska strålar anländer till jorden från någon annanstans i galaxen med ett stort spektrum av energier - allt från 1 miljard volt till 100 miljarder miljarder volt. CALET-instrumentet är ett av extremt få i rymden som kan leverera fina detaljer om de kosmiska strålarna som det upptäcker. En graf som kallas ett kosmiskt strålspektrum visar hur många kosmiska strålar som anländer till detektorn vid varje energinivå. Spektra för kol, syre, och väte kosmiska strålar är mycket lika, men nyckelresultatet från det nya dokumentet är att spektrumet för järn skiljer sig markant.

Det finns flera möjligheter att förklara skillnaderna mellan järn och de tre lättare elementen. De kosmiska strålarna kan accelerera och färdas genom galaxen annorlunda, även om forskare i allmänhet tror att de förstår det senare, säger Krizmanic.

"Något som måste betonas är att det sätt som elementen kommer från källorna till oss är annorlunda, men det kan vara så att källorna också är olika, " tillägger Michael Cherry, fysikprofessor emeritus vid Louisiana State University (LSU) och medförfattare till den nya uppsatsen. Forskare tror generellt att kosmiska strålar härrör från exploderande stjärnor (supernovor), men neutronstjärnor eller mycket massiva stjärnor kan vara andra potentiella källor.

Precision på nästa nivå

Ett instrument som CALET är viktigt för att svara på frågor om hur kosmiska strålar accelererar och färdas, och var de kommer ifrån. Instrument på marken eller ballonger som flögs högt upp i jordens atmosfär var den främsta källan till kosmisk stråldata tidigare. Men när kosmiska strålar når dessa instrument, de har redan interagerat med jordens atmosfär och brutits ner till sekundära partiklar. Med jordbaserade instrument, det är nästan omöjligt att identifiera exakt hur många primära kosmiska strålar och vilka element som anländer, plus deras energi. Men CALET, att vara på ISS ovanför atmosfären, kan mäta partiklarna direkt och särskilja enskilda element exakt.

Järn är ett särskilt användbart element att analysera, förklarar Cannady, en postdoc med CSST och en tidigare Ph.D. student med Cherry på LSU. På väg till jorden, kosmiska strålar kan bryta ner till sekundära partiklar, och det kan vara svårt att skilja mellan ursprungliga partiklar som stöts ut från en källa (som en supernova) och sekundära partiklar. Det komplicerar slutsatser om var partiklarna ursprungligen kom ifrån.

"När saker och ting interagerar på väg till oss, då får du i huvudsak omvandlingar från ett element till ett annat, " säger Cannady. "Järn är unikt, eftersom det är en av de tyngsta sakerna som kan syntetiseras i regelbunden stjärnevolution, vi är ganska säkra på att det i stort sett är alla primära kosmiska strålar. Det är den enda rena primära kosmiska strålen, där med andra kommer du att ha några sekundära komponenter som också matas in i det."

"Gjord av stjärndamm"

Att mäta kosmisk strålning ger forskare en unik inblick i högenergiprocesser som händer långt, långt borta. De kosmiska strålarna som anländer till CALET representerar "de saker vi är gjorda av. Vi är gjorda av stjärndamm, " säger Cherry. "Och energiska källor, saker som supernovor, kasta ut det materialet från deras interiörer, ut i galaxen, där den distribueras, bildar nya planeter, solsystem, och... oss."

"Studien av kosmiska strålar är studiet av hur universum genererar och distribuerar materia, och hur det påverkar utvecklingen av galaxen, ", tillägger Krizmanic. "Så egentligen är det att studera astrofysiken i den här motorn som vi kallar Vintergatan som kastar runt alla dessa element."

En global insats

Den japanska rymdorganisationen lanserade CALET och leder idag uppdraget i samarbete med amerikanska och italienska team. I USA., CALET-teamet inkluderar forskare från LSU; NASA Goddard Space Flight Center; UMBC; University of Maryland, College Park; University of Denver; och Washington University. Den nya artikeln är den femte från detta mycket framgångsrika internationella samarbete publicerat i PRL, en av de mest prestigefyllda fysiktidskrifterna.

CALET optimerades för att detektera kosmiska strålelektroner, eftersom deras spektrum kan innehålla information om deras källor. Det är särskilt sant för källor som är relativt nära jorden i galaktiska termer:inom mindre än en trettiondel av avståndet över Vintergatan. Men CALET upptäcker också atomkärnorna i kosmiska strålar mycket exakt. Nu erbjuder dessa kärnor viktiga insikter om källorna till kosmiska strålar och hur de kom till jorden.

"Vi förväntade oss inte att kärnorna - kolet, syre, protoner, iron — skulle verkligen börja visa några av dessa detaljerade skillnader som tydligt pekar på saker vi inte vet, säger Cherry.

Det senaste fyndet skapar fler frågor än det besvarar, betonar att det fortfarande finns mer att lära sig om hur materia genereras och rör sig runt galaxen. "Det är en grundläggande fråga:Hur gör du materia?" säger Krizmanic. Men, han lägger till, "Det är hela poängen med varför vi gick i den här branschen, för att försöka förstå mer om hur universum fungerar."