Al tientallen jaren proberen astrofysici een vreemd fenomeen in kosmische straling te verklaren: een plotselinge daling van de intensiteit rond 3 PeV, een extreem hoge energie. Deze “knie”, zoals het wordt genoemd, blijft een mysterie. Supernovae, die lange tijd als de belangrijkste bronnen van deze deeltjes werden beschouwd, leken niet krachtig genoeg om zulke niveaus te bereiken. Nieuwe observaties van de LHAASO-observatorium komen echter met baanbrekende inzichten: ze tonen aan dat sommige zwarte gaten, die materie met snelheden dicht bij het licht projecteren, de oorzaak kunnen zijn van deze energetische breuk. Een ontdekking die ons begrip van de meest extreme natuurlijke versnellers in de Melkweg herdefinieert.
Microquasars: Versneller die we niet verwachtten
Tot voor kort dachten astrofysici dat supernovae de belangrijkste fabrieken voor kosmische straling in de Melkweg waren. Maar de metingen van LHAASO vertellen een heel ander verhaal. Het Chinese observatorium heeft zeer hoge energie gamma-stralen gedetecteerd die zijn uitgezonden door vijf microquasars: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 en Cygnus X-1. Deze binairsystemen, waarin een zwart gat materie van een begeleidende ster afsnoept, produceren relativistische jets die in staat zijn om deeltjes tot duizelingwekkende energieën te versnellen.
Het geval van SS 433 is bijzonder opvallend. De ultra-energetische gamma-stralen die zijn waargenomen, komen ruimtelijk overeen met een enorme atomaire wolk, wat suggereert dat protonen die door het zwarte gat zijn versneld, in botsing komen met deze materie. Schattingen tonen aan dat deze protonen meer dan 1 PeV overschrijden, met een totaal vermogen dat buitengewoon hoog is. Andere microquasars, zoals V4641 Sgr, vertonen gamma-emissies die 0,8 PeV bereiken, met moederdeeltjes die meer dan 10 PeV overschrijden.
Een doorslaggevende stap in het meten van het protonenspectrum
Om de oorsprong van de “knie” te begrijpen, was het echter nodig om een nauwkeurige meting van het spectrum van kosmische protonen te verkrijgen, een buitengewoon moeilijke taak. Ruimtelijke detecors missen gevoeligheid in dit energiebereik, terwijl metingen op de grond worden verstoord door atmosferische interacties, waardoor het moeilijk is om protonen van andere kernen te onderscheiden.
LHAASO heeft deze uitdaging aangegaan door een multiparametermethode te ontwikkelen die een monster van protonen van uitzonderlijke zuiverheid kan isoleren. Voor de eerste keer biedt een observatie op de grond een betrouwbare en gedetailleerde meting van het protonenspectrum in het kritieke gebied van de “knie”, dat vergelijkbaar is in precisie met ruimtevaartmissies.
Deze analyse onthult een onverwachte handtekening: in plaats van een eenvoudige overgang van de ene machtswet naar de andere, identificeren de onderzoekers een nieuwe component van hoge energie. Deze ontdekking suggereert dat verschillende soorten bronnen bijdragen aan het globale spectrum, en dat sommige van hen, die veel krachtiger zijn dan supernovae, domineren in het PeV-bereik.
Wanneer meerdere versnellers de Melkweg vormgeven
Door deze resultaten te vergelijken met gegevens van de AMS-02-missie, die lage energieën meet, en met die van DAMPE, gespecialiseerd in intermolen energieën, komt er een samenhangend beeld naar voren. De Melkweg wordt niet geregeerd door één type versneller, maar door een diversiteit aan objecten, waarbij elk zijn energetische handtekening oplegt. De “knie” verschijnt nu als de grens van versnelling voor de bronnen die verantwoordelijk zijn voor de hoge-energiecomponent, met name de microquasars.
Deze systemen van zwarte gaten onderscheiden zich duidelijk van supernovae door hun vermogen om protonen tot veel hogere energieën te stuwen. Voor het eerst verbindt de observatie een specifieke structuur van het kosmische stralingsspectrum met een type astronomie object. Deze vooruitgang illustreert de kracht van het hybride ontwerp van LHAASO, dat in staat is om zowel extreme gamma-stralen te detecteren als fijn gestructureerde metingen van deeltjes die de aarde bereiken uit te voeren.
Door deze twee ontdekkingen te combineren, onthullen de onderzoekers een diepgaande relatie tussen zwarte gaten en de oorsprong van kosmische straling, wat nieuw licht werpt op de dynamiek van de meest extreme fenomenen in onze melkweg. Deze resultaten markeren een belangrijke stap in het oplossen van een van de grote mysteries van de moderne astrofysica.
