Los astrónomos han logrado por primera vez cuantificar los componentes de protones y electrones de los rayos cósmicos en un remanente de supernova. Al menos el 70% de los rayos gamma de muy alta energía emitidos por los rayos cósmicos se deben a protones relativistas, según el novedoso análisis de imágenes de radio, Radiografía, y radiación de rayos gamma. El sitio de aceleración de los protones, los principales componentes de los rayos cósmicos, ha sido un misterio de 100 años en la astrofísica moderna, esta es la primera vez que se ha demostrado cuantitativamente la cantidad de rayos cósmicos que se producen en un remanente de supernova y es un paso histórico en la elucidación del origen de los rayos cósmicos.

El origen de los rayos cósmicos, las partículas con mayor energía del universo, ha sido un gran misterio desde su descubrimiento en 1912. Debido a que los rayos cósmicos promueven la evolución química de la materia interestelar, comprender su origen es fundamental para comprender la evolución de nuestra galaxia. Se cree que los rayos cósmicos son acelerados por los remanentes de supernovas (las secuelas de las explosiones de supernovas) en nuestra Galaxia y viajaron a la Tierra casi a la velocidad de la luz. Los avances recientes en las observaciones de rayos gamma han revelado que muchos remanentes de supernovas emiten rayos gamma a energías de teraelectronvoltios (TeV). Si los rayos gamma son producidos por protones, que son el componente principal de los rayos cósmicos, entonces se puede verificar el origen remanente de supernova de los rayos cósmicos. Sin embargo, Los rayos gamma también son producidos por electrones, es necesario determinar si el origen del protón o del electrón es dominante, y medir la relación de las dos contribuciones (ver también la Figura 1). Los resultados de este estudio proporcionan evidencia convincente de que los rayos gamma se originan en el componente protón, que es el componente principal de los rayos cósmicos, y aclarar que los rayos cósmicos galácticos son producidos por remanentes de supernovas.

La originalidad de esta investigación es que la radiación de rayos gamma está representada por una combinación lineal de componentes de protones y electrones. Los astrónomos conocían una relación de que la intensidad de los rayos gamma de los protones es proporcional a la densidad del gas interestelar obtenida mediante observaciones de imágenes de línea de radio. Por otra parte, También se espera que los rayos gamma de los electrones sean proporcionales a la intensidad de los rayos X de los electrones. Por lo tanto, expresaron la intensidad total de rayos gamma como la suma de dos componentes de rayos gamma, uno del origen del protón y el otro del origen del electrón. Esto condujo a una comprensión unificada de tres observables independientes (Figura 2). Este método se propuso por primera vez en este estudio. Como resultado, se demostró que los rayos gamma de protones y electrones representan el 70% y el 30% del total de rayos gamma, respectivamente. Esta es la primera vez que se cuantifican los dos orígenes. Los resultados también demuestran que los rayos gamma de los protones están dominados en las regiones interestelares ricas en gas, mientras que los rayos gamma de los electrones aumentan en la región pobre en gas. Esto confirma que los dos mecanismos funcionan juntos y respaldan las predicciones de estudios teóricos previos.

"Este método novedoso no podría haberse logrado sin colaboraciones internacionales, ", dice el profesor emérito Yasuo Fukui de la Universidad de Nagoya. Dirigió este proyecto y ha cuantificado con precisión la distribución de la densidad del gas interestelar utilizando el radiotelescopio NANTEN y el Australia Telescope Compact Array desde 2003. Aunque la resolución de los rayos gamma era insuficiente para realizar un análisis completo en ese momento , El profesor Gavin Rowell y la Dra. Sabrina Einecke de la Universidad de Adelaide y el H.E.S.S. El equipo mejoró drásticamente la resolución espacial y la sensibilidad de los rayos gamma a lo largo de los años, lo que permite compararlos con precisión con el gas interestelar. El Dr. Hidetoshi Sano del Observatorio Astronómico Nacional de Japón dirigió el análisis de imágenes de rayos X de conjuntos de datos de archivo del satélite europeo de rayos X XMM-Newton. El Dr. Einecke y el Prof. Rowell trabajaron en estrecha colaboración con el Prof. Fukui y el Dr. Sano en la realización de estudios detallados que examinaron las correlaciones a través de los rayos gamma, Emisión de rayos X y radio. "Este nuevo método se aplicará a más remanentes de supernovas utilizando el telescopio de rayos gamma de próxima generación CTA (Cherenkov Telescope Array) además de los observatorios existentes, lo que avanzará enormemente en el estudio del origen de los rayos cósmicos ".