Microkwazars Aangewezen als Primaire Versnellers Kosmische Straling in de Melkweg

Wetenschappers die het Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) exploiteren, hebben overtuigend bewijs gepresenteerd dat microkwazars de primaire bronnen zijn van de meest energetische kosmische stralen binnen ons Melkwegstelsel. Deze conclusie beantwoordt een fundamentele vraag in de astrofysica die bijna zeventig jaar onopgelost bleef. Microkwazars, gedefinieerd als binaire systemen waarin een zwart gat materie van een begeleidende ster aanzuigt, genereren extreem krachtige relativistische jets die deeltjes tot bijna de lichtsnelheid versnellen.

Het onderzoek, een samenwerking van een internationaal consortium waaronder het Institute of High Energy Physics van de Chinese Academy of Sciences (CAS) en de Universiteit van Nanjing, is gedocumenteerd in vooraanstaande publicaties zoals de National Science Review en Science Bulletin. De observatiecampagne maakte gebruik van de hybride detectorarray van LHAASO, die zich op 4.410 meter boven zeeniveau op de berg Haizi in Daocheng County, Garzê Tibetaanse Autonome Prefectuur, China, bevindt. Deze faciliteit, operationeel sinds april 2019 en beslaat circa 145 hectare, is uniek in zijn vermogen om zowel ultrahoogenergetische gammastralen van verre bronnen te detecteren als nauwkeurige metingen van kosmische stralingsdeeltjes nabij het zonnestelsel te verrichten. De bouw van LHAASO begon in 2017 en de installatie van de hoofdcomponenten werd in 2021 afgesloten.

De LHAASO-data stelden de onderzoekers in staat om de raadselachtige 'knie' in het energiespectrum van kosmische straling – een abrupte afname van de flux boven ongeveer 3 PeV – direct te koppelen aan deze specifieke systemen met zwarte gaten en hun jets. Cruciale observaties omvatten de detectie van fotonen met energieën die 1 PeV overschrijden, afkomstig van een structuur in de Cygnus-stervormingsregio, met een geregistreerde maximumenergie van 2.5 PeV. Verder onderzoek naar de microkwazar SS 433 toonde aan dat de versnelde protonen de 1 PeV-grens overschreden, met een geschatte energie-output die overeenkomt met de energie van vier biljoen waterstofbommen per seconde. Een andere geïdentificeerde versneller, V4641 Sgr, leverde gammastraling op tot 0.8 PeV, wat de aanwezigheid van meerdere PeV-deeltjesversnellers in de Melkweg bevestigt.

Deze bevindingen contrasteren met het traditionele astrofysische model dat supernova-restanten als de primaire bron van galactische kosmische straling beschouwde, aangezien theoretische modellen aangeven dat supernova-restanten de energieën rond de knie niet kunnen bereiken. De nieuwe gegevens wijzen op een complexere energiehiërarchie met een nieuw 'hoogenergetisch component', wat suggereert dat de Melkweg verschillende populaties van kosmische stralingsversnellers herbergt, elk met hun eigen energieplafond. De microkwazar SS 433, het eerste ontdekte type, is een röntgenbinair systeem met een zwart gat dat materie van een A-type begeleidende ster aanzuigt, waarbij de jets met ongeveer 26% van de lichtsnelheid bewegen. De LHAASO-samenwerking heeft ongeveer een dozijn van dergelijke microkwazarbronnen in de Melkweg geïdentificeerd.

Deze ontdekkingen bieden tastbare doelen voor toekomstige experimenten met gammastraling en neutrino's, en verschuiven de focus binnen de hoogenergetische astrofysica. Hoofdonderzoeker Cao Zhen, Academicus van de CAS, benadrukte dat deze studies niet alleen de mechanismen achter de oorsprong van kosmische straling verhelderen, maar ook ons begrip van extreme fysische processen in zwarte gat-systemen aanzienlijk verdiepen.