Astronomer har för första gången lyckats kvantifiera proton- och elektronkomponenterna i kosmiska strålar i en supernovarest. Åtminstone 70 % av de mycket högenergigammastrålar som emitteras från kosmisk strålning beror på relativistiska protoner, enligt den nya bildanalys av radio, röntgen, och gammastrålning. Accelerationsplatsen för protoner, huvudkomponenterna i kosmiska strålar, har varit ett 100-årigt mysterium inom modern astrofysik, detta är första gången som mängden kosmisk strålning som produceras i en supernovarest har visats kvantitativt och är ett epokgörande steg i klargörandet av ursprunget till kosmiska strålar.

Ursprunget till kosmiska strålar, partiklarna med den högsta energin i universum, har varit ett stort mysterium sedan deras upptäckt 1912. Eftersom kosmiska strålar främjar den kemiska utvecklingen av interstellär materia, Att förstå deras ursprung är avgörande för att förstå utvecklingen av vår galax. De kosmiska strålarna tros accelereras av supernovarester (efterverkningarna av supernovaexplosioner) i vår galax och färdades till jorden med nästan ljusets hastighet. Nya framsteg inom gammastrålningsobservationer har avslöjat att många supernovarester sänder ut gammastrålar vid teraelektronvolts (TeV) energier. Om gammastrålar produceras av protoner, som är huvudkomponenten i kosmiska strålar, då kan supernovaresterna för kosmiska strålar verifieras. Dock, gammastrålar produceras också av elektroner, det är nödvändigt att avgöra om proton- eller elektronursprunget är dominant, och för att mäta förhållandet mellan de två bidragen (se även figur 1). Resultaten av denna studie ger övertygande bevis för gammastrålar som härrör från protonkomponenten, som är huvudkomponenten i kosmiska strålar, och klargör att galaktiska kosmiska strålar produceras av supernovarester.

Originaliteten i denna forskning är att gammastrålning representeras av en linjär kombination av proton- och elektronkomponenter. Astronomer visste ett samband att intensiteten av gammastrålning från protoner är proportionell mot den interstellära gasdensiteten som erhålls genom radiolinjeavbildningsobservationer. Å andra sidan, gammastrålar från elektroner förväntas också vara proportionella mot röntgenstrålningsintensiteten från elektroner. Därför, de uttryckte den totala gammastrålningsintensiteten som summan av två gammastrålningskomponenter, en från protonursprunget och den andra från elektronursprunget. Detta ledde till en enhetlig förståelse av tre oberoende observerbara objekt (Figur 2). Denna metod föreslogs först i denna studie. Som ett resultat, det visades att gammastrålar från protoner och elektroner står för 70 % och 30 % av den totala gammastrålningen, respektive. Detta är första gången som de två ursprungen har kvantifierats. Resultaten visar också att gammastrålar från protoner domineras i interstellära gasrika regioner, medan gammastrålar från elektroner förstärks i det gasfattiga området. Detta bekräftar att de två mekanismerna fungerar tillsammans och stödjer förutsägelserna från tidigare teoretiska studier.

"Denna nya metod hade inte kunnat genomföras utan internationella samarbeten, " säger emeritusprofessor Yasuo Fukui vid Nagoya University. Han ledde detta projekt och har noggrant kvantifierat den interstellära gasdensitetens distribution med hjälp av NANTEN-radioteleskopet och Australia Telescope Compact Array sedan 2003. Även om gammastrålningsupplösningen var otillräcklig för att utföra en fullständig analys vid den tiden , Professor Gavin Rowell och Dr Sabrina Einecke från University of Adelaide och H.E.S.S. teamet har dramatiskt förbättrat den rumsliga upplösningen och känsligheten för gammastrålar under åren, vilket gör det möjligt att jämföra dem exakt med interstellär gas. Dr. Hidetoshi Sano från National Astronomical Observatory of Japan ledde röntgenavbildningsanalysen av arkivdatauppsättningar från den europeiska röntgensatelliten XMM-Newton. Dr. Einecke och Prof. Rowell arbetade nära med Prof. Fukui och Dr. Sano för att göra de detaljerade studierna som undersökte korrelationerna över gammastrålningen, Röntgen- och radioemission. "Denna nya metod kommer att tillämpas på fler supernovarester med hjälp av nästa generations gammastrålningsteleskop CTA (Cherenkov Telescope Array) utöver de befintliga observatorierna, vilket i hög grad kommer att främja studiet av ursprunget till kosmiska strålar."