Kosmiske stråleprotoner avslører nye spektrale strukturer ved høye energier

Kosmiske stråler utgjør høyenergiske protoner og atomkjerner som stammer fra stjerner (både i vår galakse og fra andre galakser) og akselereres av supernovaer og andre høyenergiske astrofysiske objekter.

Vår nåværende forståelse av det galaktiske kosmiske stråleenergispekteret antyder at det følger en kraftlovavhengighet, ved at spektralindeksen til protoner detektert innenfor et visst energiområde går ned av kraftloven når energien øker.

Men nyere observasjoner gjort ved bruk av magnetiske spektrometre for lave energinivåer og kalorimetre for høye energinivåer har antydet et avvik fra denne kraftlovvariasjonen, med spektralindeksen til protoner som blir større rundt en energi på noen hundre GeV ved energier opp til 10 TeV . Etter denne “spektrale herdingen”, karakterisert ved en mindre absolutt verdi av spektralindeksen, har en “spektral mykning” blitt oppdaget over 10 TeV ved bruk av CALorimetric Electron Telescope (CALET), en romteleskop installert på den internasjonale romstasjonen.

Imidlertid må bedre målinger med høy statistikk og lav usikkerhet utføres over et bredt energispekter for å bekrefte disse spektrale strukturene.

Det er nettopp dette et team av internasjonale forskere ledet av førsteamanuensis Kazuyoshi Kobayashi fra Waseda University i Japan satte seg fore. “Med dataene samlet inn av CALET over omtrent 6,2 år, har vi lagt frem en detaljert spektral struktur av de kosmiske stråleprotonene. Nyheten til våre data ligger i målingene med høy statistikk over et bredere energiområde på 50 GeV til 60 TeV, sier Kobayashi.

Funnene fra studien deres, som inkluderte bidrag fra professor emeritus Shoji Torii fra Waseda University (PI, eller Principal Investigator, av CALET-prosjektet) og professor Pier Simone Marrocchesi fra University of Siena i Italia, ble publisert i tidsskriftet Fysiske gjennomgangsbrev.

De nye observasjonene bekreftet tilstedeværelsen av spektral herding og mykning under og over 10 TeV, noe som tyder på at proton energi spekteret er ikke konsistent med en enkelt effektlovvariasjon for hele området. Dessuten er den spektrale mykningen som starter ved rundt 10 TeV i samsvar med en tidligere måling rapportert av romteleskopet Dark Matter Particle Explorer (DAMPE). Interessant nok ble overgangen ved spektral mykning funnet å være skarpere enn den ved spektral herding.

Variasjonene og usikkerheten i de nye CALET-dataene ble kontrollert ved hjelp av Monte Carlo-simuleringer. Statistikken ble forbedret med en faktor på rundt 2,2 og spektralherdingsfunksjonen ble bekreftet med en høyere signifikans på mer enn 20 sigmas.

Når han snakker om betydningen av denne forskningen, bemerker Kobayashi at “dette resultatet vil betydelig bidra til vår forståelse av kosmisk stråleakselerasjon av supernovaer og forplantningsmekanismen til kosmiske stråler. Det neste trinnet ville være å utvide vår måling av protonspektra til enda høyere energier med reduserte systematiske usikkerheter. Dette bør ledsages av et skifte i den teoretiske forståelsen for å imøtekomme de nye observasjonene.”

Det handler imidlertid ikke bare om kosmiske stråler. Snarere fortsetter studien med å vise hvor mye vi fortsatt ikke forstår om universet vårt, og at det er verdt å tenke over det.

---

---