Astronomer har länge letat efter uppskjutningsplatserna för några av de mest energirika protonerna i vår galax. Nu bekräftar en studie som använder 12 års data från NASA:s Fermi Gamma-ray Space Telescope att en supernovarest är just en sådan plats.

Fermi har visat att chockvågorna från exploderade stjärnor ökar partiklarna till hastigheter som är jämförbara med ljusets. Kallas kosmiska strålar, dessa partiklar tar mestadels formen av protoner, men kan inkludera atomkärnor och elektroner. Eftersom de alla bär på en elektrisk laddning, blir deras vägar förvrängda när de går igenom vår galaxs magnetfält. Eftersom vi inte längre kan säga vilket håll de härstammar från, maskerar detta deras födelseplats. Men när dessa partiklar kolliderar med interstellär gas nära supernovaresterna, producerar de ett avslöjande sken i gammastrålar – det högsta energiljuset som finns.

"Teoretiker tror att de mest energirika kosmiska strålprotonerna i Vintergatan når en miljon miljarder elektronvolt, eller PeV-energier", säger Ke Fang, biträdande professor i fysik vid University of Wisconsin, Madison. "Den exakta karaktären på deras källor, som vi kallar PeVatrons, har varit svår att fastställa."

Instängda av kaotiska magnetfält korsar partiklarna upprepade gånger supernovans chockvåg och får fart och energi för varje passage. Så småningom kan kvarlevan inte längre hålla dem, och de glider av i det interstellära rymden.

Förstärkt till cirka 10 gånger den energi som världens mest kraftfulla partikelaccelerator, Large Hadron Collider, är PeV-protoner på väg att fly helt och hållet från vår galax.

Astronomer har identifierat några misstänkta PeVatrons, inklusive en i mitten av vår galax. Naturligtvis toppar supernovarester listan över kandidater. Ändå av cirka 300 kända rester har bara ett fåtal visat sig sända ut gammastrålar med tillräckligt hög energi.

Ett särskilt stjärnvrak har fått mycket uppmärksamhet från gammastrålastronomer. Kallas G106.3+2.7, det är ett kometformat moln som ligger cirka 2 600 ljusår bort i stjärnbilden Cepheus. En ljus pulsar täcker den norra änden av supernovaresterna, och astronomer tror att båda objekten bildades i samma explosion.

Fermis Large Area Telescope, dess primära instrument, upptäckte miljardelektronvolt (GeV) gammastrålar inifrån restens förlängda svans. (Som jämförelse mäter det synliga ljusets energi mellan cirka 2 och 3 elektronvolt.) Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) vid Fred Lawrence Whipple Observatory i södra Arizona registrerade ännu högre energi gammastrålar från samma region. Och både High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory i Mexiko och Tibet AS-Gamma Experiment i Kina har detekterat fotoner med energier på 100 biljoner elektronvolt (TeV) från området undersökt av Fermi och VERITAS.

"Detta objekt har varit en källa till stort intresse ett tag nu, men för att kröna det som en PeVatron måste vi bevisa att det accelererar protoner", förklarade medförfattaren Henrike Fleischhack vid Catholic University of America i Washington och NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Fastigheten är att elektroner som accelereras till några hundra TeV kan producera samma emission. Nu, med hjälp av 12 års Fermi-data, tror vi att vi har gjort fallet att G106.3+2.7 verkligen är en PeVatron."

En artikel som beskriver resultaten, ledd av Fang, publicerades den 10 augusti i tidskriften Physical Review Letters .

Pulsaren, J2229+6114, avger sina egna gammastrålar i en fyrliknande fyr när den snurrar, och denna glöd dominerar regionen till energier på några få GeV. Det mesta av detta utsläpp sker under den första halvan av pulsarens rotation. Teamet stängde effektivt av pulsaren genom att endast analysera gammastrålar som kommer från den senare delen av cykeln. Under 10 GeV finns det inga signifikanta utsläpp från kvarlevans svans.

Ovanför denna energi är pulsarens interferens försumbar och den extra källan blir lätt uppenbar. Teamets detaljerade analys gynnar överväldigande PeV-protoner som de partiklar som driver denna gammastrålning.

"Än så länge är G106.3+2.7 unik, men det kan visa sig vara den ljusaste medlemmen av en ny population av supernovarester som sänder ut gammastrålar som når TeV-energier," konstaterar Fang. "Fler av dem kan avslöjas genom framtida observationer av Fermi och gammastrålningsobservatorier med mycket hög energi."

NASA utforskar kosmiska mysterier – och just detta pussel tog mer än ett decennium av banbrytande observationer att lösa. + Utforska vidare

Avslöjar ett hundraårigt mysterium:Varifrån Vintergatans kosmiska strålar kommer