Les scientifiques ont utilisé les données de la mission Magnetospheric Multiscale (MMS) dirigée par le Southwest Research Institute pour expliquer la présence d'éléments lourds énergétiques dans les rayons cosmiques galactiques (GCR). Les GCR sont composés de particules énergétiques en mouvement rapide, principalement des ions hydrogène appelés protons, les éléments les plus légers et les plus abondants de l'univers. Les scientifiques ont longtemps débattu de la manière dont des quantités infimes d'ions lourds dans les GCR sont accélérées.

L'explosion en supernova d'une étoile mourante crée des ondes de choc massives qui se propagent dans l'espace environnant, accélérer les ions dans leur cheminement vers de très hautes énergies, créer des GCR. La façon dont les ions lourds sont énergisés et accélérés est importante car ils affectent la redistribution de la masse dans l'univers et sont essentiels à la formation d'éléments encore plus lourds et chimiquement plus complexes. Ils influencent également la façon dont nous percevons les structures astrophysiques.

"On pense que les ions lourds sont insensibles à une onde de choc entrante car ils sont moins abondants, et l'énergie de choc est massivement consommée par la prépondérance des protons. Visualisez-vous debout sur une plage pendant que les vagues déplacent le sable sous vos pieds, pendant que vous restez en place, " a déclaré le Dr Hadi Madanian de SwRI, l'auteur principal de l'article sur cette recherche publié dans Lettres de revues astrophysiques . "Toutefois, cette vision classique du comportement des ions lourds dans des conditions de choc n'est pas toujours ce que nous avons vu dans les observations MMS à haute résolution de l'environnement spatial proche de la Terre."

Des phénomènes de choc se produisent également dans l'environnement proche de la Terre. Le champ magnétique du Soleil est transporté à travers l'espace interplanétaire par le flux de vent solaire supersonique, qui est obstrué et détourné par la magnétosphère terrestre, une bulle de protection autour de notre planète natale. Cette région d'interaction est appelée le choc d'arc en raison de sa forme incurvée, comparable aux vagues d'étrave qui se produisent lorsqu'un bateau se déplace dans l'eau. Le choc de l'arc de la Terre se forme à une échelle beaucoup plus petite que les chocs de la supernova. Cependant, a l'heure, les conditions de ce petit choc ressemblent à celles des restes de supernova. L'équipe a utilisé des mesures in situ à haute résolution du vaisseau spatial MMS au niveau du choc de proue pour étudier comment les ions lourds sont accélérés.

"Nous avons observé une amplification intense du champ magnétique près du choc d'étrave, une propriété connue associée aux chocs violents tels que les restes de supernova. Nous avons ensuite analysé le comportement de différentes espèces d'ions lorsqu'elles ont rencontré le choc de l'arc, " a déclaré Madanian. " Nous avons constaté que ces champs améliorés modifient considérablement la trajectoire des ions lourds, en les redirigeant vers la zone d'accélération du choc."

Bien que ce comportement ne se produise pas pour les ions lourds, l'équipe a identifié des preuves directes de ce processus dans les particules alpha, des ions hélium quatre fois plus massifs que les protons et deux fois plus chargés.

"La superbe résolution des observations MMS nous a donné une image beaucoup plus claire de la façon dont une onde de choc énergise les éléments lourds. Nous pourrons utiliser cette nouvelle compréhension pour améliorer nos modèles informatiques d'accélération des rayons cosmiques lors de chocs astrophysiques, " a déclaré David Burgess, professeur de mathématiques et d'astronomie à l'Université Queen Mary de Londres et coauteur de l'article. "Les nouvelles découvertes ont des implications importantes pour la composition des rayons cosmiques et les spectres de rayonnement observés des structures astrophysiques."