Nuovi risultati pubblicati questa settimana in Lettere di revisione fisica suggeriscono che il carbonio, ossigeno, e i raggi cosmici di idrogeno viaggiano attraverso la galassia verso la Terra in modo simile, ma, sorprendentemente, quel ferro arriva sulla Terra in modo diverso. Imparare di più su come i raggi cosmici si muovono attraverso la galassia aiuta ad affrontare un fondamentale, domanda persistente in astrofisica:come viene generata e distribuita la materia nell'universo?

"Allora cosa significa questa scoperta?" chiede John Krizmanic, uno scienziato senior presso il Center for Space Science and Technology (CSST) dell'UMBC. "Questi sono indicatori di qualcosa di interessante che sta accadendo. E cosa sarà quel qualcosa di interessante che dovremo vedere".

I raggi cosmici sono nuclei atomici, atomi privati ​​dei loro elettroni, che sfrecciano costantemente nello spazio quasi alla velocità della luce. Entrano nell'atmosfera terrestre a energie estremamente elevate. Le informazioni su questi raggi cosmici possono fornire agli scienziati indizi sulla loro provenienza nella galassia e sul tipo di evento che li ha generati.

Uno strumento sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) chiamato Calorimetric Electron Telescope (CALET) raccoglie dati sui raggi cosmici dal 2015. I dati includono dettagli come quanti e quali tipi di atomi stanno arrivando, e con quanta energia stanno arrivando. L'americano, Italiano, e squadre giapponesi che gestiscono CALET, tra cui Krizmanic della UMBC e il postdoc Nick Cannady, collaborato alla nuova ricerca.

Ferro in movimento

I raggi cosmici arrivano sulla Terra da altre parti della galassia a una vasta gamma di energie, da 1 miliardo di volt a 100 miliardi di miliardi di volt. Lo strumento CALET è uno dei pochissimi nello spazio in grado di fornire dettagli precisi sui raggi cosmici che rileva. Un grafico chiamato spettro dei raggi cosmici mostra quanti raggi cosmici stanno arrivando al rivelatore ad ogni livello di energia. Gli spettri del carbonio, ossigeno, e i raggi cosmici dell'idrogeno sono molto simili, ma la scoperta chiave del nuovo documento è che lo spettro del ferro è significativamente diverso.

Ci sono diverse possibilità per spiegare le differenze tra il ferro ei tre elementi più leggeri. I raggi cosmici potrebbero accelerare e viaggiare attraverso la galassia in modo diverso, sebbene gli scienziati generalmente credano di capire quest'ultimo, dice Krizmanic.

"Una cosa che deve essere sottolineata è che il modo in cui gli elementi arrivano dalle fonti a noi è diverso, ma può anche darsi che le fonti siano diverse, "aggiunge Michael Cherry, professore emerito di fisica alla Louisiana State University (LSU) e coautore del nuovo documento. Gli scienziati generalmente credono che i raggi cosmici provengano da stelle che esplodono (supernovae), ma le stelle di neutroni o le stelle molto massicce potrebbero essere altre potenziali fonti.

Precisione di livello superiore

Uno strumento come CALET è importante per rispondere a domande su come i raggi cosmici accelerano e viaggiano, e da dove vengono. Strumenti a terra o palloni volati in alto nell'atmosfera terrestre erano in passato la principale fonte di dati sui raggi cosmici. Ma quando i raggi cosmici raggiungono quegli strumenti, hanno già interagito con l'atmosfera terrestre e si sono scomposti in particelle secondarie. Con strumenti basati sulla Terra, è quasi impossibile identificare con precisione quanti raggi cosmici primari e quali elementi stanno arrivando, più le loro energie. Ma CALETTO, trovarsi sulla ISS al di sopra dell'atmosfera, può misurare direttamente le particelle e distinguere con precisione i singoli elementi.

Il ferro è un elemento particolarmente utile per analizzare, spiega Canady, un postdoc con CSST e un ex dottorato di ricerca. studente con Cherry alla LSU. Sulla loro strada per la Terra, i raggi cosmici possono scomporre in particelle secondarie, e può essere difficile distinguere tra particelle originali espulse da una sorgente (come una supernova) e particelle secondarie. Ciò complica le deduzioni sulla provenienza originaria delle particelle.

"Mentre le cose interagiscono nel loro cammino verso di noi, quindi otterrai essenzialmente conversioni da un elemento all'altro, " Dice Cannady. "Il ferro è unico, in quell'essere una delle cose più pesanti che possono essere sintetizzate nella regolare evoluzione stellare, siamo abbastanza certi che si tratti praticamente di tutti i raggi cosmici primari. È l'unico raggio cosmico primario puro, dove con altri avrai anche alcuni componenti secondari che si alimentano in quello."

"Fatto di polvere di stelle"

La misurazione dei raggi cosmici offre agli scienziati una visione unica dei processi ad alta energia che accadono lontano, lontano. I raggi cosmici che arrivano a CALET rappresentano "la materia di cui siamo fatti. Siamo fatti di polvere di stelle, " dice Cherry. "E fonti energetiche, cose come le supernove, espellere quel materiale dai loro interni, fuori nella galassia, dove è distribuito, forma nuovi pianeti, sistemi solari, e... noi."

"Lo studio dei raggi cosmici è lo studio di come l'universo genera e distribuisce la materia, e come questo influenza l'evoluzione della galassia, " Krizmanic aggiunge. "Quindi è davvero lo studio dell'astrofisica di questo motore che chiamiamo Via Lattea che sta gettando tutti questi elementi in giro".

Uno sforzo globale

L'agenzia spaziale giapponese ha lanciato CALET e oggi guida la missione in collaborazione con i team statunitensi e italiani. Negli Stati Uniti., il team CALET comprende ricercatori della LSU; Centro di volo spaziale Goddard della NASA; UMBC; Università del Maryland, Parco dell'università; Università di Denver; e Washington University. Il nuovo documento è il quinto di questa collaborazione internazionale di grande successo pubblicata su PRL, una delle riviste di fisica più prestigiose.

CALET è stato ottimizzato per rilevare gli elettroni dei raggi cosmici, perché il loro spettro può contenere informazioni sulle loro fonti. Ciò è particolarmente vero per le sorgenti che sono relativamente vicine alla Terra in termini galattici:entro meno di un trentesimo della distanza attraverso la Via Lattea. Ma CALET rileva anche i nuclei atomici dei raggi cosmici in modo molto preciso. Ora quei nuclei stanno offrendo importanti spunti sulle fonti dei raggi cosmici e su come sono arrivati ​​sulla Terra.

"Non ci aspettavamo che i nuclei, il carbonio, ossigeno, protoni, ferro:inizierebbe davvero a mostrare alcune di queste differenze dettagliate che indicano chiaramente cose che non sappiamo, "dice Ciliegia.

L'ultima scoperta crea più domande di quante ne risponda, sottolineando che c'è ancora molto da imparare su come la materia viene generata e si muove nella galassia. "Questa è una domanda fondamentale:come si fa a fare la materia?" dice Krizmanic. Ma, Aggiunge, "Questo è il punto centrale del motivo per cui siamo entrati in questo business, per cercare di capire di più su come funziona l'universo."