Galactic Microquasar and Supernova Remnants Imprinting on Diffuse Neutrino and Gamma-Ray Sky

Diep in het hart van onze Melkweg valt een constante, onzichtbare regen van deeltjes uit de sterren. Dit zijn kosmische stralen, hogesnelheidsprotonen en atoomkernen die zich met bijna de snelheid van het licht door het sterrenstelsel bewegen. Decennialang wisten wetenschappers dat deze deeltjes worden geboren bij gewelddadige kosmische gebeurtenissen, zoals de explosies van massieve sterren, maar de exacte mix van bronnen en hoe zij naar ons toe reizen, bleef een puzzel. Wanneer deze kosmische stralen botsen met het ijle gas dat de ruimte tussen de sterren vult, creëren ze een secundaire vloedgolf van deeltjes, waaronder spookachtige neutrino's en hoogenergetische gammastralen. Het detecteren van deze secundaire signalen is als het zien van de kringen in het water wanneer een steen in een donkere vijver wordt gegooid; het vertelt ons dat de steen daar was, zelfs als we de werper niet kunnen zien. Het begrijpen van de oorsprong van deze diffuse gloed is cruciaal, omdat het de achtergrondruis vormt waartegen astronomen moeten zoeken naar specifieke, krachtige bronnen. Als we deze achtergrond niet nauwkeurig in kaart kunnen brengen, kunnen we de zwakke fluisteringen van nieuwe kosmische versnellers niet onderscheiden van het gebrul van het sterrenstelsel zelf.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe, gedetailleerde kaart van deze kosmische achtergrond gemaakt, die onthult dat het verhaal van de hoogenergetische hemel van het sterrenstelsel wordt verteld door twee verschillende groepen kosmische motoren die samenwerken. In een studie gepubliceerd in augustus 2026 ontwikkelden Shiqi Yu en Bing Theodore Zhang een computermodel dat bijhoudt hoe kosmische stralen van twee verschillende soorten bronnen — supernova-restanten en microquasars — zich door het sterrenstelsel verspreiden en interageren met interstellaire gas. Supernova-restanten zijn de uitdijende schillen van puin die achterblijven wanneer massieve sterren exploderen, terwijl microquasars systemen zijn waarbij een zwart gat of neutronenster materie uit een begeleidende ster trekt en krachtige jets van deeltjes de ruimte in schiet. De onderzoekers ontdekten dat deze twee populaties niet gelijkwaardig bijdragen aan alle energieën. In plaats daarvan domineren zij verschillende delen van het energiespectrum, wat een naadloze overgang creëert die recente waarnemingen van de IceCube Neutrino Observatory en de LHAASO gamma-straaltelescoop verklaart.

De aanpak van het team was om deze twee bronpopulaties te behandelen als onafhankelijke actoren, elk met eigen regels voor hoe snel ze deeltjes versnellen en hoe ver die deeltjes kunnen reizen. Ze simuleerden de beweging van kosmische stralen over miljoenen jaren, waarbij ze hun berekeningen verankerden aan nauwkeurige metingen van kosmische stralen die nabij de aarde zijn gedetecteerd door de DAMPE- en LHAASO-instrumenten. Door deze lokale metingen in een driedimensionaal model van de gasverdeling in het sterrenstelsel te voeden, konden ze voorspellen hoeveel neutrino's en gammastralen er in elke richting geproduceerd zouden worden. De resultaten toonden een duidelijke taakverdeling. Bij lagere energieën, onder de ongeveer 10 biljoen elektronvolt, is de diffuse gloed bijna volledig het werk van supernova-restanten. Deze eeuwenoude stellaire explosies hebben het sterrenstelsel al eonen lang bezaaid met kosmische stralen, waardoor een constante, wijdverspreide achtergrond ontstaat. Echter, naarmate de energie stijgt boven deze drempelwaarde, neemt de bijdrage van supernova-restanten af en neemt een nieuwe speler de leiding over: microquasars.

Deze verschuiving is significant omdat het een langlopend probleem oplost over hoe het sterrenstelsel deeltjes versnelt tot de hoogste bekende energieën. Hoewel supernova-restanten uitstekend zijn in het versnellen van deeltjes, kunnen ze moeite hebben om ze voorbij een bepaalde limiet te duwen. Microquasars, met hun intense magnetische velden en relativistische jets, lijken in staat te zijn om als "PeVatrons" te fungeren, die deeltjes versnellen tot energieën duizend keer hoger dan die van de Large Hadron Collider. Het model suggereert dat het verharden van het kosmische stralingsspectrum bij hoge energieën geen mysterie is, maar een natuurlijk gevolg van het feit dat microquasars het stokje overnemen. Wanneer de onderzoekers hun voorspellingen vergeleken met de werkelijke gegevens verzameld door IceCube over twaalf jaar, was de overeenkomst opmerkelijk nauwkeurig. Hun model reproduceerde succesvol de geobserveerde flux van neutrino's, wat een fysiek gemotiveerde basis biedt die rekening houdt met de bijdragen van beide soorten bronnen zonder dat er nieuwe fysica hoeft te worden verzonnen.

Dezelfde logica was van toepassing op gammastralen, de hoogenergetische neven van zichtbaar licht. De onderzoekers ontdekten dat hun model, dat ook de effecten van microquasars insluit, goed aansluit bij de waarnemingen van LHAASO, met name bij energieën boven de 100 biljoen elektronvolt. Op deze extreme energieën wordt de gamma-hemel gedomineerd door de hadronische interacties van protonen van microquasars, wat een zuiver signaal creëert dat minder vervuild is door andere processen. Onder deze drempelwaarde vertoonden de gegevens een lichte overmaat die het model niet volledig kon vatten, waarschijnlijk door elektronen die licht verstrooien of door zwakke, onopgeloste bronnen die te dim zijn om individueel gezien te worden. Deze resterende kloof benadrukt waar toekomstige waarnemingen het beeld kunnen verfijnen, maar de kernbevinding blijft robuust: de hoogenergetische diffuse hemel is een composiet van twee verschillende populaties.

De studie onthulde ook hoe de structuur van het sterrenstelsel bepaalt wat we zien. Omdat neutrino's alleen worden geproduceerd wanneer kosmische stralen botsen met dichte zakken gas, is de resulterende kaart van de neutrino-emissie geen gladde, uniforme gloed. In plaats daarvan volgt het de filamentaire, klonterige structuur van het interstellaire medium, wat resulteert in gelokaliseerde "hot spots" waar het gas het dichtst is. Deze plekken markeren niet noodzakelijkerwijs de locatie van een actieve versneller; ze tonen eerder aan waar de constante zee van kosmische stralen, die vanuit alle richtingen stroomt, toevallig op de meeste materie botst. Dit onderscheid is essentieel voor astronomen die zoeken naar nieuwe puntbronnen, omdat het hen hels helpt om het ware signaal van een specifiek object te scheiden van de complexe, getextureerde achtergrond van het sterrenstelsel.

Door de bijdragen van supernova-restanten en microquasars van elkaar te ontkoppelen, hebben de onderzoekers een flexibel kader geboden dat getest en bijgewerkt kan worden naarmate er nieuwe gegevens binnenkomen. Hun werk suggereert dat de diffuse achtergrond geen enkelvoudige, monolithische entiteit is, maar een gelaagd tapijt geweven uit verschillende kosmische draden. Dit begrip biedt een solide fundament voor de volgende generatie multi-messenger observatoria, die neutrino's en gammastralen zullen gebruiken om dieper in het sterrenstelsel te kijken. Met een helderder beeld van de achtergrond zullen deze instrumenten beter in staat zijn om de krachtigste versnellers in het universum te identificeren, waardoor de zwakke, diffuse gloed van de Melkweg wordt omgezet in een precieze kaart van haar meest gewelddadige en energetische processen.