천문학자들은 고에너지 우주선의 근원을 확인합니다

거의 100년 전에 과학자들은 우리가 지구 대기에서 감지하는 방사선의 일부가 국지적 기원이 아니라는 것을 깨닫기 시작했습니다. 이것은 결국 우주선, 고에너지 양성자 및 원자핵의 발견으로 이어지며 전자가 제거되고 상대론적 속도로 가속됩니다(빛의 속도에 가까움). 그러나 이 이상하고 치명적인 현상을 둘러싼 많은 미스터리가 여전히 있습니다.

여기에는 에 대한 질문이 포함됩니다. 그들의 기원 그리고 우주선의 주성분(양성자)이 어떻게 그렇게 빠른 속도로 가속되는지. 나고야 대학의 새로운 연구 덕분에 과학자들은 처음으로 초신성 잔해에서 생성되는 우주선의 양을 결정했습니다. 이 연구는 100년 된 미스터리를 해결하는 데 도움이 되었으며 우주선의 근원을 정확하게 결정하기 위한 중요한 단계입니다.

과학자들은 우주선이 태양, 초신성, 감마선 폭발(GRB) 및 활성은하핵 (퀘이사라고도 함) – 1912년에 처음 발견된 이후로 그 기원은 미스터리였습니다. 마찬가지로, 천문학자들은 초신성 잔해(초신성 폭발의 후유증)가 거의 빛의 속도로 가속되는 원인이 된다고 가정했습니다.

고에너지 입자의 소나기는 활기찬 우주선이 지구 대기의 상부에 충돌할 때 발생합니다. 우주선은 1912년에 예기치 않게 발견되었습니다. 삽화 크레디트: Simon Swordy(U. Chicago), NASA.

그들이 우리 은하를 여행할 때 우주선은 성간 매질(ISM)의 화학적 진화에 중요한 역할을 합니다. 따라서 은하의 기원을 이해하는 것은 은하가 어떻게 진화했는지 이해하는 데 중요합니다. 최근 몇 년 동안 개선된 관측 결과로 인해 일부 과학자들은 초신성 잔해가 가속하는 양성자가 ISM의 양성자와 상호 작용하여 고에너지 감마선(VHE)을 형성하기 때문에 우주선을 생성한다고 추측하게 되었습니다.

그러나 감마선은 ISM의 광자와 상호 작용하는 전자에 의해서도 생성되며, 이는 적외선 광자 또는 우주 마이크로파 배경(CMB)의 방사선 형태일 수 있습니다. 따라서 우주선의 기원을 결정하기 위해서는 가장 큰 근원을 결정하는 것이 중요합니다. 이에 대해 밝히고자 나고야대학교 연구진을 포함한 연구팀은 일본국립천문대 (NAOJ), 호주 애들레이드 대학교 – 초신성 잔해 RX J1713.7을 보았습니까? 3946(RX J1713).

그들의 연구의 핵심은 성간 공간에서 감마선의 근원을 결정하기 위해 개발한 새로운 접근 방식이었습니다. 이전의 관찰은 ISM에서 다른 양성자와 충돌하는 양성자의 VHE 감마선의 강도가 성간 가스의 밀도에 비례한다는 것을 보여주었으며, 이는 전파 선형 영상을 사용하여 구별할 수 있습니다. 한편, ISM에서 전자와 광자의 상호작용에 의해 생성되는 감마선 역시 전자의 비열적 X선 강도에 비례할 것으로 예상된다.

그들의 연구를 위해 팀은 나미비아에 위치한 VHE 감마선 관측소인 고에너지 입체 시스템(HESS)에서 얻은 데이터에 의존했습니다(막스 플랑크 핵 물리학 연구소에서 운영). 그런 다음 그들은 이것을 유럽 우주국(European Space Agency)의 X선 다중 거울 임무(XMM-Newton) 관측소에서 얻은 X선 데이터와 성간 매질의 가스 분포에 대한 데이터와 결합했습니다.

*감마선 대 전자에 의해 생성된 우주선(위), HESS 및 XMM-뉴턴 관측으로 얻은 데이터(아래). 신용: 천체 물리학 연구실 / 나고야 대학*

그런 다음 그들은 세 가지 데이터 세트를 모두 결합하여 양성자가 우주선의 67 ± 8%를 차지하는 반면 우주선 전자는 대략 70/30 분할인 33 ± 8%를 나타내는 것으로 결정했습니다. 이러한 결과는 우주선의 잠재적 기원이 밝혀진 것은 처음이라는 점에서 획기적인 것입니다. 그들은 또한 초신성 잔해가 우주선의 근원이라는 가장 확실한 증거를 구성합니다.

이러한 결과는 또한 양성자로부터의 감마선이 가스가 풍부한 성간 영역에서 더 흔하고 전자에 의해 유도되는 감마선은 가스가 부족한 영역에서 강화된다는 것을 보여줍니다. 이는 두 가지 메커니즘이 함께 작동하여 ISM의 발전에 영향을 미친다는 많은 연구자들의 예측을 뒷받침합니다. 그녀가 말했다 이 연구의 주저자인 후쿠이 야스오 명예 교수는 다음과 같이 말했습니다.

“이 새로운 방법은 국제 협력 없이는 불가능했을 것입니다. [It] 기존 관측소 외에 차세대 감마선 망원경(CTA)(체렌코프 망원경 어레이)을 활용한 초신성 잔해에 더 많이 적용해 우주선 기원 연구에 큰 진전이 될 것”이라고 말했다.

이 프로젝트를 주도하는 것 외에도 후쿠이는 2003년부터 난탄 전파 망원경 라스 캄파나스 천문대 칠레와 호주 소형 망원경. Adelaide 대학의 Gavin Roel 교수와 Sabrina Aeneke 박사(연구 공동 저자) 및 HESS 팀 덕분에 감마선 관측소의 공간 해상도와 감도는 마침내 둘을 비교할 수 있는 지점에 도달했습니다.

한편, 공동 저자인 NAOJ의 Hidetoshi Sano 박사는 XMM-Newton Observatory의 보관 데이터 세트 분석을 주도했습니다. 이와 관련하여 이 연구는 또한 국제적 협력과 데이터 공유가 어떻게 모든 종류의 첨단 연구를 가능하게 하는지 보여줍니다. 개선된 도구와 결합된 개선된 방법 및 협업을 위한 더 큰 기회는 점성술의 획기적인 발전이 표준이 되는 시대로 이어지고 있습니다!

심층 읽기: 나고야대학그리고 천체물리학 저널