Para astronom mengidentifikasi sumber sinar kosmik berenergi tinggi

Hampir seabad yang lalu, para ilmuwan mulai menyadari bahwa beberapa radiasi yang kami deteksi di atmosfer bumi bukanlah berasal dari lokal. Hal ini akhirnya mengarah pada penemuan sinar kosmik, proton berenergi tinggi, dan inti atom yang terlepas dari elektronnya dan dipercepat ke kecepatan relativistik (mendekati kecepatan cahaya). Namun, masih banyak misteri seputar fenomena aneh (dan mematikan) ini.

Ini termasuk pertanyaan tentang asal usul mereka Dan bagaimana komponen utama sinar kosmik (proton) dipercepat dengan kecepatan tinggi tersebut. Berkat penelitian baru oleh Universitas Nagoya, para ilmuwan telah menentukan jumlah sinar kosmik yang dihasilkan dalam sisa supernova untuk pertama kalinya. Penelitian ini telah membantu memecahkan misteri berusia 100 tahun dan merupakan langkah besar menuju penentuan secara akurat sumber sinar kosmik.

Sementara para ilmuwan percaya sinar kosmik berasal dari beberapa sumber – matahari kita, supernova, ledakan sinar gamma (GRBs), dan Inti Galaksi Aktif (alias quasar) – Asal usul mereka telah menjadi misteri sejak pertama kali ditemukan pada tahun 1912. Demikian juga, para astronom telah berhipotesis bahwa sisa-sisa supernova (efek setelah ledakan supernova) bertanggung jawab atas percepatan mereka hingga mendekati kecepatan cahaya.

Saat mereka melakukan perjalanan melalui galaksi kita, sinar kosmik berperan dalam evolusi kimia medium antarbintang (ISM). Dengan demikian, memahami asal-usul mereka sangat penting untuk memahami bagaimana galaksi berevolusi. Dalam beberapa tahun terakhir, pengamatan yang lebih baik telah membuat beberapa ilmuwan berspekulasi bahwa sisa-sisa supernova memunculkan sinar kosmik karena proton yang dipercepatnya berinteraksi dengan proton di ISM untuk membentuk sinar gamma energi tinggi (VHE).

Namun, sinar gamma juga dihasilkan oleh elektron yang berinteraksi dengan foton di ISM, yang dapat berupa foton inframerah atau radiasi dari latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB). Oleh karena itu, menentukan sumber terbesar sangat penting untuk menentukan asal usul sinar kosmik. Berharap untuk menjelaskan hal ini, tim peneliti – yang termasuk anggota dari Universitas Nagoya, Observatorium Astronomi Nasional Jepang (NAOJ), University of Adelaide, Australia – Melihat sisa supernova RX J1713.7? 3946 (RX J1713).

Kunci penelitian mereka adalah pendekatan baru yang mereka kembangkan untuk menentukan sumber sinar gamma di ruang antarbintang. Pengamatan sebelumnya menunjukkan bahwa intensitas sinar gamma VHE dari proton yang bertabrakan dengan proton lain di ISM sebanding dengan kerapatan gas antarbintang, yang dapat dibedakan menggunakan pencitraan radio linier. Di sisi lain, sinar gamma yang dihasilkan oleh interaksi elektron dengan foton di ISM juga diharapkan sebanding dengan intensitas sinar-X non-termal elektron.

Untuk studi mereka, tim mengandalkan data yang diperoleh oleh High Energy Stereoscopic System (HESS), observatorium sinar gamma VHE yang terletak di Namibia (dan dioperasikan oleh Institut Max Planck untuk Fisika Nuklir). Mereka kemudian menggabungkan ini dengan data sinar-X yang diperoleh oleh observatorium Misi Cermin Ganda Sinar-X Badan Antariksa Eropa (XMM-Newton) dan data tentang distribusi gas di media antarbintang.

Mereka kemudian menggabungkan ketiga set data dan menentukan bahwa proton menyumbang 67 ± 8% dari sinar kosmik sementara elektron sinar kosmik mewakili 33 ± 8% – kira-kira perpecahan 70/30. Hasil ini merupakan terobosan karena ini adalah pertama kalinya potensi asal usul sinar kosmik ditentukan. Mereka juga merupakan bukti paling pasti hingga saat ini bahwa sisa-sisa supernova adalah sumber sinar kosmik.

Hasil ini juga menunjukkan bahwa sinar gamma dari proton lebih umum di daerah antarbintang yang kaya akan gas, sedangkan sinar yang diinduksi oleh elektron meningkat di daerah yang miskin gas. Hal ini mendukung apa yang telah diprediksi oleh banyak peneliti, yaitu bahwa kedua mekanisme tersebut bekerja sama untuk mempengaruhi perkembangan ISM. Dia berkata Profesor Emeritus Yasuo Fukui, yang merupakan penulis utama studi ini:

“Metode baru ini tidak akan mungkin terjadi tanpa kerja sama internasional. [It] Ini akan diterapkan pada lebih banyak sisa supernova menggunakan Next Generation Gamma-Ray Telescope (CTA) (Cherenkov Telescope Array) di samping observatorium yang ada, yang akan berfungsi sebagai kemajuan besar dalam studi asal usul sinar kosmik.”

Selain memimpin proyek ini, Fukui telah bekerja untuk menentukan distribusi gas antarbintang sejak tahun 2003 menggunakan nantan teleskop radio di Observatorium Las Campanas di Chili dan teleskop kompak australia. Terima kasih kepada Profesor Gavin Roel dan Dr Sabrina Aeneke dari University of Adelaide (rekan penulis studi) dan tim HESS, resolusi spasial dan sensitivitas observatorium sinar gamma akhirnya mencapai titik di mana perbandingan dapat dibuat antara keduanya.

Sementara itu, rekan penulis Dr. Hidetoshi Sano dari NAOJ memimpin analisis kumpulan data arsip dari XMM-Newton Observatory. Dalam hal ini, studi ini juga menunjukkan bagaimana kolaborasi internasional dan berbagi data memungkinkan semua jenis penelitian mutakhir. Dikombinasikan dengan alat yang ditingkatkan, metode yang ditingkatkan, dan peluang kolaborasi yang lebih besar mengarah ke era ketika terobosan astrologi menjadi norma!

Bacaan mendalam: Universitas NagoyaDan Jurnal Astrofisika