Kosmiska strålar utgör högenergiprotoner och atomkärnor som härstammar från stjärnor (både inom vår galax och från andra galaxer) och accelereras av supernovor och andra astrofysiska objekt med hög energi.

Vår nuvarande förståelse av det galaktiska kosmiska strålenergispektrumet tyder på att det följer ett maktlagsberoende, i det att spektralindexet för protoner som detekteras inom ett visst energiområde sjunker med kraftlag när energin ökar.

Men nyligen gjorda observationer med magnetiska spektrometrar för låga energinivåer och kalorimetrar för höga energinivåer har antytt en avvikelse från denna kraftlagsvariation, där protonernas spektrala index blir större runt en energi på några hundra GeV vid energier upp till 10 TeV . Efter denna "spektrala härdning", som kännetecknas av ett mindre absolut värde på det spektrala indexet, har en "spektral uppmjukning" upptäckts över 10 TeV med hjälp av CALorimetric Electron Telescope (CALET), ett rymdteleskop installerat vid den internationella rymdstationen.

Men bättre mätningar med hög statistik och låg osäkerhet måste utföras över ett brett energispektrum för att bekräfta dessa spektrala strukturer.

Det är precis vad ett team av internationella forskare ledda av docent Kazuyoshi Kobayashi från Waseda University i Japan satte sig för att göra. "Med data som samlats in av CALET under ungefär 6,2 år, har vi lagt fram en detaljerad spektral struktur av de kosmiska strålprotonerna. Nyheten i våra data ligger i högstatistiska mätningar över ett bredare energiområde på 50 GeV till 60 TeV, säger Kobayashi.

Resultaten av deras studie, som inkluderade bidrag från professor emeritus Shoji Torii från Waseda University (PI, eller Principal Investigator, av CALET-projektet) och professor Pier Simone Marrocchesi från University of Siena i Italien, publicerades i tidskriften Physical Review Bokstäver .

De nya observationerna bekräftade närvaron av spektral härdning och uppmjukning under och över 10 TeV, vilket tyder på att protonenergispektrumet inte överensstämmer med en enda effektlagsvariation för hela området. Dessutom överensstämmer den spektrala uppmjukningen som börjar vid cirka 10 TeV med en tidigare mätning som rapporterats av rymdteleskopet Dark Matter Particle Explorer (DAMPE). Intressant nog visade sig övergången genom spektral uppmjukning vara skarpare än den genom spektral härdning.

Variationerna och osäkerheten i den nya CALET-datan kontrollerades med hjälp av Monte Carlo-simuleringar. Statistiken förbättrades med en faktor på cirka 2,2 och spektralhärdningsfunktionen bekräftades med en högre signifikans på mer än 20 sigmas.

När han pratar om betydelsen av denna forskning, påpekar Kobayashi att "detta resultat kommer att avsevärt bidra till vår förståelse av den kosmiska strålens acceleration av supernovor och utbredningsmekanismen för kosmiska strålar. Nästa steg skulle vara att utöka vår mätning av protonspektra till ännu högre energier med minskade systematiska osäkerheter. Detta bör åtföljas av en förändring i den teoretiska förståelsen för att tillgodose de nya observationerna."

Det handlar dock inte bara om kosmiska strålar. Snarare fortsätter studien att visa hur mycket vi fortfarande inte förstår om vårt universum och att det är värt att fundera över det. + Utforska vidare

Mest exakta mätningar av kosmisk strålproton och heliumspektra över TeV