Voor de beste ervaring schakelt u JavaScript in en gebruikt u een moderne browser!
EN uva.nl

Een internationaal team van wetenschappers, waaronder Jacco Vink van de Universiteit van Amsterdam, heeft met NASA’s Chandra X-ray Observatorium – één van de beste röntgenobservatoria tot nu toe- onderzocht hoe zeer hoogenergetische gammastralen worden geproduceerd door kosmische stralen die worden versneld binnen de 30 Doradus C superbubbel, de enige bekende VHE gammastraling-superbubbel. Ze hebben aangetoond dat de gammastraling wordt veroorzaakt door elektronen in plaats van hoogenergetische atomen. Dit resultaat is een uitdaging voor de theorie dat de zeer hoogenergetische kosmische straling uit superbubbels komen, in plaats van uit supernovarestanten.

De bron van kosmische straling, energetische deeltjes die de Aarde bombarderen

De Aarde wordt voortdurend gebombardeerd met zeer hoogenergetische deeltjes, die veelal bestaan uit atoomkernen. Deze deeltjes worden kosmische straling genoemd en zouden schadelijk zijn voor het leven op aarde, als de aarde niet een atmosfeer en een magnetisch veld had. De meeste van deze deeltjes zouden hun oorsprong vinden in de enorme schokfronten die veroorzaakt worden door supernova-explosies. Het enige probleem met deze theorie is dat hoewel supernovarestanten bewezen kosmische straling produceren, ze niet in staat zijn om deze te versnellen tot de enorm hoge energieën die we soms op aarde waarnemen. Één alternatieve verklaring voor deze zeer hoogenergetische deeltjes is dat ze versneld worden in een zogenaamde superbubbel:  een zeer hete gasbel die wordt gemaakt door een opeenvolging van meerdere supernova’s.

Zijn superbubbels de oorsprong van de hoog-energetische kosmische straling?

De theorie dat superbubbels de bron zijn van de zeer hoogenergetische kosmische straling werd waarschijnlijker door de ontdekking van hoogenergetische gammastraling uit de spectaculaire superbubbel 30 Doradus C in het naburige sterrenstelsel de Grote Maghellaanse Wolk. Binnenin deze superbubbel bleek één supernova op zich al verantwoordelijk voor een schokfront dat zich voortbewoog met 300 km/sec. De daaruit resulterende gammastraling-fotonen hebben energieën van meer dan een TeV (Tera electronVolt, vergelijkbaar met de energieën die de LHC van CERN gebruikt). Dit bewees dat de versnelling van deeltjes in deze superbubbel 10TeV of meer kon bereiken, en dat het daardoor mogelijk is om deze hoogenergetische kosmische straling in een superbubbel te maken.

 

EPIC-PN false colour röntgen-afbeelding van het 30 Doradus gebied in the Grote Maghellaanse Wolk

Om te bewijzen dat de hoogenergetische kosmische straling inderdaad uit superbubbels komen, moest het team uitzoeken of de gammastralen uit energetische atomen kwamen, wat een bewijs zou zijn dat de gammastraling uit de superbubbel komt, of uit elektronen. We weten dat er hoogenergetische elektronen zijn, aangezien die de röntgenstraling voortbrengen die eerder waargenomen is. Maar de vraag is of deze elektronen ook gammastraling voortbrengen. Dit is alleen mogelijk als het magnetische veld in de superbubbel zwak is; als het magnetische veld sterk is kan de gammastraling alleen verklaard worden door de aanwezigheid van hoogenergetische atomen. En dit is waar het nieuwe onderzoek antwoord naar zocht.

Het meten van magnetische velden

Het team gebruikte een methode van Jacco Vink om de magnetische velden te meten aan de hand van röntgenstraling. Hoe sterker het magnetische veld, hoe sneller de hoogenergetische elektronen hun energie verliezen. De elektronen blijven energie verzamelen zolang ze dichtbij het schokfront blijven, maar zodra ze van het schokfront af bewegen verliezen ze energie, waardoor ze onzichtbaar worden in röntgen. Dit betekent dat de elektronen bij een zwak magnetisch veld een heel eind van het schokfront af kunnen bewegen en nog steeds röntgenstraling hebben, terwijl ze bij een sterk magnetisch veld dichtbij het schokfront zouden moeten stralen.  Voor een zwak magnetisch veld zouden meer elektronen nodig zijn om dezelfde hoeveelheid röntgenstraling te produceren, maar door hun interactie met hun omgeving zouden zij ook verantwoordelijk zijn voor gammastraling.

Superbubbels versnellen elektronen, maar versnellen ze ook atomen?

Wat het team ontdekte is dat het  magnetisch veld 100.000 keer kleiner is dan dat van de aarde, en dat deze elektronen dan ook verantwoordelijk zouden moeten zijn voor de gammastraling. Dit betekent dat het niet mogelijk is om te concluderen dat kosmische stralen veroorzaakt worden door atomen die versneld worden in de superbubbel. Aangezien elektronen wel worden versneld is het nog steeds mogelijk dat atomen ook worden versneld in de superbubbel, maar hier is geen hard bewijs voor. Meer onderzoek met de nieuwe generatie gammastralings-observatoria (CTA) zal wellicht uitwijzen of atomen toch een invloed hebben op de gammastraling op aarde.

Publicatiedetails

Magnetic field estimates from the X-ray synchrotron emitting rims of the 30 Dor C superbubble and the implications for the nature of 30 Dor C’s TeV emission. Patrick J. Kavanagh, Jacco Vink, Manami Sasaki, You-Hua Chu, Miroslav D. Filipovi, Stefan Ohm, Frank Haberl, Perica Manojlovic, and Pierre Maggi.

Link naar het originele artikel (preprint)