Supernovaresten zijn bronnen van PeVatron-deeltjes

SNR G106.3+2.7 is een supernovarestant op een afstand van ongeveer 2600 lichtjaar in de richting van het sterrenbeeld Cepheus. Deze supernovarestant produceert protonen met een energie die 10 keer groter is dat de krachtigste deeltjes versneller op Aarde, de Large Hadron Collinder, kan produceren. Dit blijkt uit een analyse van 12 jaar aan gegevens van gammastraling verkregen met de Fermi gammastralen-telescoop van de NASA

SNR G106.3+2.7
In deze weergave met meerdere golflengtes is de radio-emissie van SNR G106.3+2.7 blauw en groen terwijl geel, oranje en rood radiogolven zijn van een enorme wolk interstellair gas; in het midden laat het roze gebied zien waar protonen die worden versterkt door de schokgolf van de supernova, het gas raken en een gloed van gammastraling uitzenden. Credit: Jayanne English, University of Manitoba / NASA / Fermi / Fang et al. / Canadian Galactic Plane Survey / DRAO / FCRAO.

Volgens Dr. Ke Fang, natuurkundige aan de universiteit van Wisconsin denken theoretici dat protonen afkomstig van kosmische straling met de hoogste energie in de Melkweg een miljoen miljard elektronvolt oftewel een PeV-energie bereiken.

De precieze aard van hun bronnen, die PeVatrons worden genoemd, was moeilijk vast te stellen. Astronomen hebben een paar vermoedelijke PeVatrons geïdentificeerd, waaronder één in het centrum van onze Melkweg.

Uiteraard staan supernovarestanten bovenaan de kandidatenlijst. Maar van de ongeveer 300 bekende overblijfselen zijn er maar een paar gevonden die gammastraling van een voldoende hoge energie uitzenden.

Een van de beste kandidaten, SNR G106.3+2.7, bevindt zich op een afstand van ongeveer 2600 lichtjaar in het sterrenbeeld Cepheus. Een heldere pulsar bedekt het noordelijke uiteinde van SNR G106.3+2.7 en astronomen denken dat beide objecten tijdens dezelfde explosie zijn ontstaan.

Met behulp van Fermi’s Large Area Telescope ontdekten Dr. Fang en collega’s miljard-elektron-volt (GeV)-gammastraling vanuit de verlengde staart van de supernovarestant.

De Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) van de Fred Lawrence Whipple sterrenwacht registreerde in dit gebied zelfs nog gammastraling met een hogere energie.

En zowel het High-Attitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatorium als het Tibet AS-Gamma Ray Experiment detecteerden fotonen met energieën van 100 biljoen elektronvolt (TeV) uit het gebied dat werd onderzocht door Fermi en VERITAS.

Dit object is al een tijdje een bron van aanzienlijke interesse maar om het als een PeVatron te kronen moeten astronomen bewijzen dat het protonen versnelt.

Het addertje onder het gras is dat elektronen die worden versneld tot een paar honderd TeV dezelfde emissie kunnen produceren.

Met behulp van 12 jaar aan waarneemgegevens van Fermi denken ze nu te hebben aangetoond dat SNR G106.3+2.7 inderdaad een PeVatron is.

De pulsar, met de aanduiding PSR J2229+6114, zendt zijn eigen gammastralen uit in een vuurtorenachtig baken terwijl hij ronddraait en deze gloed domineert het gebied tot energieën van een paar GeV. Het grootste deel van deze emissie vindt plaats in de eerste helft van de rotatie van de pulsar.

De onderzoekers hebben de pulsar effectief uitgeschakeld door alleen gammastraling te analyseren die uit het laatste deel van de cyclus komt. Onder de 10 GeV is er geen significante emissie uit de staart van de supernovarestant.

Boven deze energie is de interferentie van de pulsar verwaarloosbaar en wordt de extra bron duidelijk. De gedetailleerde analyse geeft de voorkeur aan PeV-protonen als de deeltjes die de gammastraling aansturen.

Volgens Dr. Fang is SNR G106.3+2.7 tot nu toe uniek maar het kan het helderste lid blijken te zijn van een nieuwe populatie van supernovaresten die gammastralen uitzenden die TeV-energieën bereiken.

Mogelijk kunnen er met behulp van toekomstige waarnemingen door Fermi en hoogenergetische gammastralingsobservatoria meer worden gevonden.

Het onderzoek is gepubliceerd in de Physical Review Letters.

Artikel: Ke Fang et al. 2022. Evidence for PeV Proton Acceleration from Fermi-LAT Observations of SNR G106.3+2.7. Phys. Rev. Lett 129 (7): 071101; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.071101

Eerste publicatie: 14 augustus 2022
Bron: sci-news & anderen