Hun magnetische omgeving is perfect voor het stimuleren van deeltjes tot ultrahoge energieën
Pulsar-windnevels, zoals een in de Krabnevel (foto), kunnen verantwoordelijk zijn voor het stimuleren van kosmische straling, met name elektronen, tot ultrahoge energieën. Dat stimulerende proces kan gammastralen creëren met de hoogste energieën die ooit zijn gedetecteerd. In deze samengestelde afbeelding zijn röntgenstralen blauw, zichtbaar licht paars en infraroodstraling magenta.
De winderige en chaotische overblijfselen rond recentelijk geëxplodeerde sterren lanceren mogelijk de snelste deeltjes in het universum.
Sterk magnetische neutronensterren, ook wel pulsars genoemd, wekken een snelle en sterke magnetische wind op. Wanneer geladen deeltjes, met name elektronen, in die turbulente omstandigheden verstrikt raken, ze kunnen worden opgevoerd tot extreme energieënmelden astrofysici 28 april in de Astrofysische journaalbrieven. Bovendien kunnen die vlotte elektronen dan wat omgevingslicht opvoeren tot even extreme energieën, waardoor mogelijk de zeer energieke gammastraalfotonen worden gecreëerd die astronomen ertoe hebben gebracht deze deeltjeslanceerders in de eerste plaats te detecteren.
“Dit is de eerste stap in het onderzoeken van het verband tussen de pulsars en de ultrahoge-energetische emissies”, zegt astrofysicus Ke Fang van de Universiteit van Wisconsin, Madison, die niet betrokken was bij dit nieuwe werk.
Vorig jaar kondigden onderzoekers van het Large High Altitude Air Shower Observatory, of LHAASO, in China de ontdekking aan van gammastraling met de hoogste energie ooit gedetecteerd, tot 1,4 biljoen elektronvolt (SN: 2/2/21). Dat is ongeveer 100 keer zo energiek als de hoogste energieën die haalbaar zijn met ’s werelds belangrijkste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider bij Genève. Het identificeren van de oorzaak van deze en andere extreem hoogenergetische gammastraling zou letterlijk kunnen wijzen op de locaties van kosmische straling – de snelle protonen, zwaardere atoomkernen en elektronen die de aarde bombarderen vanuit locaties buiten ons zonnestelsel.
Van sommige gammastraling wordt gedacht dat ze afkomstig zijn uit dezelfde omgeving als kosmische straling. Een manier waarop ze worden geproduceerd, is dat kosmische stralen, kort nadat ze zijn gelanceerd, in relatief laagenergetische omgevingsfotonen kunnen botsen, waardoor ze worden gestimuleerd tot hoogenergetische gammastraling. Maar de elektrisch geladen kosmische stralen worden geteisterd door galactische magnetische velden, wat betekent dat ze niet in een rechte lijn reizen, wat de inspanningen om de zippy-deeltjes terug naar hun bron te traceren bemoeilijkt. Gammastralen zijn echter ongevoelig voor magnetische velden, dus astrofysici kunnen hun onwrikbare paden terug naar hun oorsprong traceren – en uitzoeken waar kosmische straling wordt gecreëerd.
Daartoe traceerde het LHAASO-team de honderden gammastralingsfotonen die het detecteerde tot 12 plekken aan de hemel. Terwijl het team één plek identificeerde als de Krabnevel, het overblijfsel van een supernova op ongeveer 6.500 lichtjaar van de aarde, suggereerden de onderzoekers dat de rest zou kunnen worden geassocieerd met andere locaties van stellaire explosies of zelfs jonge massieve sterclusters (SN: 24/6/19).
In de nieuwe studie hebben astrofysicus Emma de Oña Wilhelmi en collega’s een van die mogelijke oorsprongspunten op nul gezet: pulsar-windnevels, de wolken van turbulentie en geladen deeltjes rond een pulsar. De onderzoekers waren er niet van overtuigd dat dergelijke locaties zulke hoogenergetische deeltjes en licht konden creëren, dus probeerden ze door berekeningen aan te tonen dat pulsar-windnevels niet de bronnen van extreme gammastraling waren. “Maar tot onze verbazing zagen we onder de zeer extreme omstandigheden dat je alle bronnen kunt verklaren” [that LHAASO saw]”, zegt de Oña Wilhelmi, van het Duitse Electron Synchrotron in Hamburg.
De jonge pulsars in het hart van deze nevels – niet meer dan 200.000 jaar oud – kunnen al die oomph bieden vanwege hun ultrasterke magnetische velden, die een turbulente magnetische bel creëren die een magnetosfeer wordt genoemd.
Alle geladen deeltjes die in een intens magnetisch veld bewegen, worden versneld, zegt de Oña Wilhelmi. Dat is hoe de Large Hadron Collider deeltjes tot extreme energieën opvoert (SN: 22-04-22). Een door pulsar aangedreven versneller kan deeltjes echter naar nog hogere energieën stuwen, berekent het team. Dat komt omdat de elektronen uit de magnetosfeer van de pulsar ontsnappen en elkaar ontmoeten met het materiaal en magnetische velden van de stellaire explosie die de pulsar creëerde. Deze magnetische velden kunnen de elektronen verder versnellen tot nog hogere energieën, vindt het team, en als die elektronen tegen omgevingsfotonen botsen, kunnen ze die lichtdeeltjes stimuleren tot ultrahoge energieën, waardoor ze in gammastraling worden omgezet.
“Pulsars zijn absoluut zeer krachtige versnellers”, zegt Fang, met “verschillende plaatsen waar deeltjesversnelling kan plaatsvinden.”
En dat zou voor wat verwarring kunnen zorgen. Gammastraling-telescopen hebben een behoorlijk wazig zicht. LHASSO kan bijvoorbeeld slechts details onderscheiden die zo klein zijn als ongeveer de helft van de grootte van de volle maan. Dus de gammastralingsbronnen die de telescoop heeft gedetecteerd, zien eruit als klodders of bellen, zegt de Oña Wilhelmi. Er kunnen meerdere energetische bronnen binnen die blobs zijn, onopgelost in de huidige observatoria.
“Met een betere hoekresolutie en een betere gevoeligheid zouden we in staat moeten zijn om te identificeren wat” [and] waar het gaspedaal zit”, zegt ze. Een paar toekomstige observatoria — zoals de Cherenkov Telescoop Array en de Zuidelijk breedveld Gammastraling Observatorium – zou kunnen helpen, maar ze zijn al een aantal jaren uit.
