Vreemde zonne-gammastralen ontdekt bij nog hogere energieën

In 2019 maakten onderzoekers bekend dat er iets niet klopte met de zon. Na 10 jaar waarnemingen hadden ze geconcludeerd dat de energierijke straling van de zon dat was zeven keer overvloediger dan verwacht.

Nu een nieuwe studie op basis van nog hogere energiegegevens heeft het beeld verscherpt. Onderzoekers ontdekten dat het teveel aan zonne-gammastraling aanhoudt bij hogere energieën. Het valt dan af bij de hoogste onderzochte energieën. Niemand kan volledig uitleggen wat er aan de hand is. "Het is gewoon de ene grappige kop na de andere geweest," zei Annaka Peter, een astrofysicus aan de Ohio State University en co-auteur van de laatste analyse.

In het recente artikel, dat is gepost op de preprint-server arxiv.org en momenteel wordt beoordeeld op Physical Review Letters, rapporteren onderzoekers van het High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) Gamma-Ray Observatory en medewerkers over de overvloed aan gammastraling die aanhoudt in een bereik dat twee tot tien keer energieker is dan dat van eerder gemeten gammastraling van de zon.

Een volledige theoretische verklaring voor de overvloed aan gammastraling bij de zon blijft wazig, maar de nieuwe resultaten bieden nuttige aanwijzingen voor het ontwikkelen van een verklaring. Met name de vondst van een "afgesneden energie" waarbij de zon stopt met het uitstralen van gammastraling, zou kunnen helpen de complexe rol van de magnetische velden van de zon te onthullen.

Deze interacties zijn "van fundamenteel belang", zei Hugh Hudson, een astronoom aan de Universiteit van Glasgow. "De HAWC-gegevens worden erkend als de beste bron hier."

Een leidende hypothese die de excessen in de gammastraling van de zon verklaart, begint met kosmische straling. Deze hoogenergetische deeltjes, meestal protonen, worden gelanceerd door supernova's, botsingen met zwarte gaten en andere extreme gebeurtenissen in het universum. Terwijl kosmische stralen onze zon naderen, vangen de krachtige magnetische velden de deeltjes op en leiden ze naar buiten, weg van de zon. De kosmische stralen botsen vervolgens met protonen in de atmosfeer van de zon om onstabiele deeltjes te produceren die pionen worden genoemd. Terwijl de pionen vervallen, creëren ze gammastralen.

Maar slechts enkele van deze gammastralen ontsnappen aan de zon en bereiken onze detectoren. "Er is een soort 'precies-zo'-verhaal voor gammastraling," zei Peter. “Je moet de kosmische straal diep genoeg in de atmosfeer van de zon laten doordringen, zodat er een goede kans is op interactie. Maar het moet op het punt zijn waar de gammastraling er dan uit kan komen zonder interactie met andere tussenliggende deeltjes.

De kosmische stralen op die goede plek, denken onderzoekers, zijn "gespiegeld" door de magnetische veldlijnen van de zon. Een kosmische straal gaat naar binnen en ontmoet magnetische veldlijnen die hem omleiden. Op zijn weg naar buiten botst het met een proton, wat een gammastraling oplevert.

Een manier om deze theorie te testen, is door te meten hoe het gammastralingssignaal in de loop van de tijd verandert. In de studie van 2019 identificeerden onderzoekers een correlatie tussen het sterkste signaal en het zonneminimum, de fase van de 11-jarige cyclus van de zon waarin het verwarde web van magnetische veldlijnen het zwakst is. Deze correlatie lijkt de theorie te ondersteunen. Als inkomende kosmische stralen niet worden afgebogen door deze uitgestrekte magnetische velden, die tot ver in het zonnestelsel kunnen reiken, kunnen ze heel dicht bij de zon komen, waar sterke magnetische velden de deeltjes op het laatste moment ronddraaien.

De magnetische aantrekkingskracht van de zon is echter maar zo sterk. Als een extreem energieke kosmische straal in de buurt van de zon zou komen, zou hij mogelijk door de velden kunnen suizen zonder botsingen tussen deeltjes.

"Op een gegeven moment zou je denken dat kosmische straling gewoon te veel energie heeft om zelfs maar door het magnetische veld te worden beïnvloed", zei hij. Meer een Nisa, een astrofysicus aan de Michigan State University die deel uitmaakt van de HAWC-samenwerking. Onderzoekers zouden dit zien als een afsluiting van de gegevens: boven een bepaalde energie zou gammastraling effectief verdwijnen. De kenmerken van een dergelijke afsnijding kunnen aanwijzingen geven voor een beter begrip van de overmaat aan gammastraling.

Op zoek naar zo'n hoge-energieafsnijding wendden Nisa, Peter en hun medewerkers zich tot het HAWC-experiment, een observatorium op de grond nabij Puebla, Mexico, dat in 2015 werd voltooid. Het observatorium vertrouwt op honderden 7.3 meter brede met water gevulde tanks kampeerden aan de voet van een vulkaan en besloegen een gebied ter grootte van vier voetbalvelden. Terwijl gammastralen door de atmosfeer van de aarde schieten, creëren ze secundaire deeltjes die het water in de tanks van HAWC raken en het elektromagnetische equivalent van een sonische knal uitzenden. HAWC vertrouwt op deze zogenaamde Cherenkov-straling om de binnenkomende gammastraling te reconstrueren.

Met behulp van HAWC slaagden de wetenschappers erin gammastralen te onderzoeken die meer dan 10 keer energieker waren dan die in het onderzoek uit 2019, dat was gebaseerd op gegevens van de Fermi Gamma-ray Space Telescope. Net als bij de eerdere bevindingen was de signaalsterkte het hoogst bij het zonneminimum. En zoals gehoopt, nam de signaalsterkte sterk af met toenemende energieën - wat wijst op een afsnij-effect. Het resultaat levert een belangrijke energieschaal op die onderzoekers helpt de gammastraling van de zon te modelleren, zei Peter.

Waarom de afsnijding optreedt bij de energie die het doet, kunnen Nisa en haar collega's niet zeggen. Evenmin kunnen ze verklaren waarom het onverwacht overvloedige signaal aanhoudt bij deze hoge energieën. "Er zijn momenteel geen modellen die [dit] kunnen verklaren", zegt Elena Orlando, een natuurkundige aan de Universiteit van Triëst in Italië, die geen deel uitmaakt van de HAWC-samenwerking. Het signaal blijft net zo mysterieus als altijd.

En HAWC onderzoekt misschien niet het meest raadselachtige aspect van de eerdere gegevens: een mysterieuze smalle dip in het gammastralingssignaal bij frequenties van 1 biljoen biljoen hertz.

Peter en haar collega's werken aan het probleem en ontwikkelen uitgebreide simulaties van de magnetische velden van de zon en de ingewikkelde dynamiek van de kosmische deeltjes die eromheen kronkelen.

Naast het oplossen van het mysterie van gammastraling, denken onderzoekers dat de HAWC-metingen kunnen leiden tot bredere inzichten in de zonne- en deeltjesfysica. De hoogenergetische deeltjes die diep in de atmosfeer van de zon doordringen, kunnen wetenschappers helpen een onontgonnen gebied van de zon te onderzoeken. HAWC is bijzonder gevoelig voor deze hoogenergetische deeltjes, aangezien het observatorium gammastralen kan meten van nog hogere energieën dan die gecreëerd bij de Large Hadron Collider. "Het geeft ons een nieuw laboratorium om daar nieuwe natuurkunde te bestuderen," zei Nisa.