Pozostałość po supernowej działa jak naturalny akcelerator, przez który cząstka przechodzi wiele razy
Fala uderzeniowa supernowej nie przyspiesza promienia kosmicznego jednym potężnym „kopnięciem”. W dyfuzyjnym przyspieszaniu na fali cząstka jest rozpraszana przez zaburzenia pola magnetycznego i wielokrotnie przechodzi z jednej strony frontu na drugą. Przy każdym cyklu statystycznie zyskuje energię. Po dziesiątkach lub setkach przejść może osiągnąć prędkość bardzo bliską prędkości światła i uciec do Galaktyki. Fermi wykrył w pozostałościach IC 443 i W44 charakterystyczny sygnał gamma rozpadu pionów, dając bezpośredni dowód, że takie obiekty przyspieszają protony promieni kosmicznych.
Fala uderzeniowa nie jest ścianą
W pozostałości po supernowej mamy zjonizowaną plazmę i pole magnetyczne po obu stronach frontu. Naładowana cząstka porusza się po zakrzywionym torze i jest rozpraszana przez nieregularności pola. Dzięki temu może wielokrotnie wracać do fali zamiast przekroczyć ją raz i odlecieć. W układzie związanym z frontem przepływy po obu stronach zbliżają się do siebie, więc kolejne przejścia dają cząstce statystyczny zysk energii.
Wiele małych zysków tworzy ogromną energię
NASA opisuje ten proces intuicyjnie: w modelowym remnancie każda pełna podróż przez falę i z powrotem może zwiększać energię o niewielki procent. Powtórzona wiele razy daje potęgowy rozkład energii cząstek, charakterystyczny dla akceleracji Fermiego pierwszego rzędu. Maksymalna energia zależy od prędkości szoku, wieku pozostałości, wielkości obszaru i siły oraz turbulencji pola magnetycznego.
Problem: proton jest niewidoczny z daleka
Promienie kosmiczne nie emitują łatwo światła tylko dlatego, że mają wysoką energię, a ich kierunki są mieszane przez pole Galaktyki. Aby udowodnić przyspieszanie protonów w konkretnej pozostałości, trzeba znaleźć produkt ich zderzeń. Gdy szybki proton uderza w proton gazu, może powstać neutralny pion, który niemal natychmiast rozpada się na dwa fotony gamma.
IC 443 i W44 dały „odcisk palca” pionów
W danych Fermi-LAT z dwóch pozostałości, IC 443 i W44, znaleziono charakterystyczny kształt widma gamma przy niskich energiach — tzw. pion-decay signature. Jest on bardzo trudny do odtworzenia samymi procesami elektronowymi i stanowi bezpośredni dowód obecności wysokoenergetycznych protonów. To rozstrzygnęło ważną część trwającej od dziesięcioleci dyskusji: pozostałości po supernowych naprawdę są akceleratorami hadronowych promieni kosmicznych.
Nie znaczy to, że wyjaśniono wszystkie promienie kosmiczne
Supernowe są ważnym źródłem galaktycznych promieni kosmicznych, ale zakres energii, w którym dominują, i to, jakie obiekty odpowiadają za najwyższe energie, nadal są badane. Fermi potwierdził mechanizm i przyspieszanie protonów w konkretnych pozostałościach. To nie dowód, że każda cząstka trafiająca do Ziemi pochodzi z supernowej.
Akcelerator ma naturalny limit
Wielokrotne przekraczanie fali nie może trwać bez końca. Cząstka musi pozostać magnetycznie związana z obszarem pozostałości wystarczająco długo, a sama fala uderzeniowa z wiekiem zwalnia. Maksymalna osiągalna energia zależy więc od wieku remnantu, rozmiaru obszaru przyspieszania, prędkości szoku i siły oraz struktury pola magnetycznego. To pomaga wyjaśnić, dlaczego pytanie „czy supernowe tworzą promienie kosmiczne?” trzeba rozdzielić na zakresy energii. Fermi potwierdził obecność przyspieszonych protonów w konkretnych pozostałościach poprzez charakterystyczną sygnaturę rozpadu pionów, ale nie wynika z tego automatycznie, że te same obiekty odpowiadają za wszystkie cząstki obserwowane przy najwyższych energiach. Mechanizm jest bardzo skuteczny, lecz każdy naturalny akcelerator ma ograniczony czas, rozmiar i pole magnetyczne. Granica tych parametrów jest jednym z kluczowych tematów astrofizyki wysokich energii.