Gli scienziati hanno utilizzato i dati della missione Magnetospheric Multiscale (MMS) guidata dal Southwest Research Institute per spiegare la presenza di elementi energetici pesanti nei raggi cosmici galattici (GCR). I GCR sono composti da particelle energetiche in rapido movimento, principalmente ioni idrogeno chiamati protoni, gli elementi più leggeri e più abbondanti nell'universo. Gli scienziati hanno a lungo dibattuto su come vengono accelerate le tracce di ioni pesanti nei GCR.

L'esplosione di una supernova di una stella morente crea enormi onde d'urto che si propagano nello spazio circostante, accelerando gli ioni nel loro percorso verso energie molto elevate, creazione di GCR. Il modo in cui gli ioni pesanti vengono energizzati e accelerati è importante perché influenzano la ridistribuzione della massa in tutto l'universo e sono essenziali per la formazione di elementi ancora più pesanti e chimicamente complessi. Influenzano anche il modo in cui percepiamo le strutture astrofisiche.

"Si pensa che gli ioni pesanti siano insensibili a un'onda d'urto in arrivo perché sono meno abbondanti, e l'energia d'urto è consumata in modo schiacciante dalla preponderanza dei protoni. Visualizza in piedi su una spiaggia mentre le onde muovono la sabbia sotto i tuoi piedi, mentre tu resti al suo posto, " ha detto il Dr. Hadi Madanian di SwRI, l'autore principale del documento su questa ricerca pubblicato in Lettere per riviste astrofisiche . "Però, quella visione classica di come gli ioni pesanti si comportano in condizioni di shock non è sempre quella che abbiamo visto nelle osservazioni MMS ad alta risoluzione dell'ambiente spaziale vicino alla Terra".

Fenomeni di shock si verificano anche nell'ambiente vicino alla Terra. Il campo magnetico del Sole viene trasportato attraverso lo spazio interplanetario dal flusso del vento solare supersonico, che è ostruito e deviato dalla magnetosfera terrestre, una bolla di protezione intorno al nostro pianeta natale. Questa regione di interazione è chiamata shock dell'arco a causa della sua forma curva, paragonabili alle onde di prua che si verificano quando una barca viaggia attraverso l'acqua. L'urto dell'arco terrestre si forma su una scala molto più piccola degli shock da supernova. Però, a volte, le condizioni di questo piccolo shock assomigliano a quelle dei resti di supernova. Il team ha utilizzato misurazioni in situ ad alta risoluzione dal veicolo spaziale MMS allo shock di prua per studiare come vengono accelerati gli ioni pesanti.

"Abbiamo osservato un'intensa amplificazione del campo magnetico vicino allo shock dell'arco, una proprietà nota associata a forti shock come i resti di supernova. Abbiamo quindi analizzato come si sono comportate le diverse specie di ioni quando hanno incontrato lo shock dell'arco, " Ha detto Madanian. "Abbiamo scoperto che questi campi potenziati modificano significativamente la traiettoria degli ioni pesanti, reindirizzandoli nella zona di accelerazione dell'ammortizzatore."

Sebbene questo comportamento non si verificasse per gli ioni pesanti, il team ha identificato prove dirette di questo processo nelle particelle alfa, ioni di elio che sono quattro volte più massicci dei protoni e hanno una carica doppia.

"La superba risoluzione delle osservazioni MMS ci ha fornito un quadro molto più chiaro di come un'onda d'urto dia energia agli elementi pesanti. Saremo in grado di utilizzare questa nuova comprensione per migliorare i nostri modelli computerizzati dell'accelerazione dei raggi cosmici a shock astrofisici, " ha detto David Burgess, professore di matematica e astronomia alla Queen Mary University di Londra e coautore del documento. "Le nuove scoperte hanno implicazioni significative per la composizione dei raggi cosmici e gli spettri di radiazione osservati dalle strutture astrofisiche".