Forskare har använt data från Southwest Research Institute-ledda Magnetospheric Multiscale (MMS) uppdrag för att förklara närvaron av energiska tunga element i galaktiska kosmiska strålar (GCR). GCR består av snabbrörliga energipartiklar, mestadels vätejoner som kallas protoner, de lättaste och mest förekommande elementen i universum. Forskare har länge diskuterat hur spårmängder av tunga joner i GCR accelereras.

Supernovaexplosionen av en döende stjärna skapar massiva stötvågor som fortplantar sig genom det omgivande rymden, accelererande joner på väg till mycket höga energier, skapa GCR. Hur tunga joner aktiveras och accelereras är viktigt eftersom de påverkar omfördelningen av massa i universum och är avgörande för bildandet av ännu tyngre och mer kemiskt komplexa grundämnen. De påverkar också hur vi uppfattar astrofysiska strukturer.

"Tunga joner tros vara okänsliga för en inkommande stötvåg eftersom de är mindre rikliga, och chockenergin förbrukas överväldigande av övervikten av protoner. Visualisera att du står på en strand när vågor flyttar sanden under dina fötter, medan du är kvar på plats, " sa SwRI:s Dr. Hadi Madanian, huvudförfattaren till artikeln om denna forskning publicerad i Astrofysiska tidskriftsbrev . "Dock, den klassiska synen på hur tunga joner beter sig under chockförhållanden är inte alltid vad vi har sett i högupplösta MMS-observationer av rymdmiljön nära jorden."

Chockfenomen förekommer även i den jordnära miljön. Solens magnetfält förs genom det interplanetära rymden av det överljudliga solvindflödet, som blockeras och avleds av jordens magnetosfär, en bubbla av skydd runt vår hemplanet. Detta interaktionsområde kallas bågchocken på grund av dess krökta form, jämförbar med bogvågorna som uppstår när en båt färdas genom vatten. Jordens bågchock bildas i mycket mindre skala än supernovachocker. Dock, ibland, förhållandena för denna lilla chock liknar de för supernovarester. Teamet använde högupplösta in-situ-mätningar från MMS-rymdfarkosten vid bogchocken för att studera hur tunga joner accelereras.

"Vi observerade en intensiv förstärkning av magnetfältet nära bogchocken, en känd egenskap förknippad med starka stötar som supernovarester. Vi analyserade sedan hur olika jonarter betedde sig när de stötte på bågchocken, " sade Madanian. "Vi fann att dessa förbättrade fält avsevärt modifierar banan för tunga joner, omdirigerar dem till chockens accelerationszon."

Även om detta beteende inte förväntades inträffa för tunga joner, teamet identifierade direkta bevis för denna process i alfapartiklar, heliumjoner som är fyra gånger mer massiva än protoner och har dubbelt så stor laddning.

"Den suveräna upplösningen av MMS-observationer har gett oss en mycket tydligare bild av hur en stötvåg aktiverar de tunga elementen. Vi kommer att kunna använda denna nya förståelse för att förbättra våra datormodeller av acceleration av kosmisk strålning vid astrofysiska stötar, sa David Burgess, professor i matematik och astronomi vid Queen Mary University of London och medförfattare till tidningen. "De nya fynden har betydande konsekvenser för sammansättningen av kosmiska strålar och de observerade strålningsspektra från astrofysiska strukturer."