Mikrokwazary w obrębie Droga MlecznaOdkryto, że takie jak V4641 Sagittarii emitują fotony o poziomach energii przypisywanych wcześniej jedynie odległym kwazarom.
To odkrycie z obserwatorium HAWC wskazuje, że te lokalne obiekty mogą znacząco przyczyniać się do promieniowania kosmicznego, oferując bliższy wgląd w mechanizmy podobne do tych, które występują w aktywnych jądrach galaktycznych. Zmienia to nasze rozumienie i pozwala na wyraźniejsze i bardziej bezpośrednie badanie emisji promieni kosmicznych i procesów formowania się dżetów.
Rewolucja w badaniach promieniowania kosmicznego
Ekstremalnie wysokoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne jest wytwarzane nie tylko przez dżety z aktywnych jąder odległych galaktyk, ale także przez wyrzucające je obiekty w naszej Drodze Mlecznej, zwane mikrokwazarami. To przełomowe odkrycie dokonane przez naukowców z międzynarodowego obserwatorium promieni gamma-ray na dużych wysokościach w Czerenkowie (HAWC) znacząco zmienia naszą wiedzę na temat powstawania ultrawysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego, wyznaczając zasadniczą zmianę w badaniu tych zjawisk.
Od czasu odkrycia promieniowania kosmicznego przez Victora Hessa w 1912 roku astronomowie wierzyli, że źródłami odpowiedzialnymi za przyspieszanie tych cząstek do najwyższych energii w naszej galaktyce są pozostałości po masywnych eksplozjach supernowych, zwanych pozostałościami supernowych. Jednak nowe dane z obserwatorium HAWC przedstawiają inny pogląd: obecnie mikrokwazary stają się źródłami tego niezwykle wysokoenergetycznego promieniowania. W odkryciu tym kluczową rolę odegrali astrofizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie, wspierani grantem Narodowego Centrum Nauki.
Zjawiska wysokoenergetyczne w HAWC
Obserwatorium HAWC zostało wzniesione na zboczu wulkanu Sierra Negra w Meksyku w celu rejestracji cząstek i fotonów napływających z kosmosu przy szczególnie wysokich energiach. Obiekt składa się z 300 stalowych zbiorników na wodę wyposażonych w fotopowielacze wrażliwe na ulotne błyski światła, zwane promieniowaniem Czerenkowa. Pojawia się w zbiorniku, gdy wpada do niego cząstka poruszająca się szybciej niż prędkość światła w wodzie.
Zazwyczaj HAWC wychwytuje fotony gamma o energiach od setek gigaelektronowoltów do setek teraelektronowoltów. Są to energie nawet bilion razy większe od energii fotonów światła widzialnego i kilkanaście razy większe od energii protonów rozpędzanych w akceleratorze Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC).
Rola kwazarów i mikrokwazarów
Supermasywne czarne dziury w kwazarach, czyli aktywnych jądrach niektórych galaktyk (obiekty o ogromnych masach, których liczba sięga setek milionów mas Słońca), przyspieszają i pochłaniają materię z otaczającego je dysku akrecyjnego. Podczas tego procesu bardzo wąskie i bardzo długie strumienie materii, zwane dżetami, są wystrzeliwane z okolic biegunów. czarna dziuraw obu kierunkach wzdłuż jego osi obrotu. Poruszają się one z prędkościami często bliskimi prędkości światła, powodując fale uderzeniowe – i to właśnie tam powstają fotony o niezwykle wysokich energiach, sięgających setek teraelektronowoltów.
Znajdujące się w jądrach innych galaktyk kwazary należą do obiektów bardzo od nas odległych: najbliższy (Markarian 231) znajduje się 600 milionów lat świetlnych od Ziemi. Nie dotyczy to mikrokwazarów. Są to kompaktowe układy podwójne, składające się z masywnej gwiazdy i jej pochłaniającej materię czarnej dziury, które emitują dżety o długości setek lat świetlnych. W samej naszej galaktyce odkryto dotychczas kilkadziesiąt takich obiektów.
Bezprecedensowe obserwacje mikrokwazarów
„Fotony wykryte w mikrokwazarach mają zwykle znacznie niższe energie niż te z kwazarów. Zwykle mówimy o wartościach rzędu kilkudziesięciu gigaelektronowoltów. Tymczasem zaobserwowaliśmy coś zupełnie niesamowitego w danych zarejestrowanych przez detektory obserwatorium HAWC: fotony pochodzące z mikrokwazara leżącego w naszej galaktyce, a mimo to niosące energie dziesiątki tysięcy razy wyższe niż typowe!” mówi dr Sabrina Casanova (IFJ PAN), która wraz z dr Xiaojie Wang z Michigan Tech University i dr Dezhi Huang z University of Maryland jako pierwsi zaobserwowali anomalię.
Znaczenie V4641 Sagittarii
Stwierdzono, że źródłem fotonów o energiach do 200 teraelektronowoltów jest mikrokwazar V4641 Sagittarii (V4641 Sgr). Leży na tle konstelacji Strzelca, w odległości około 20 000 lat świetlnych od Ziemi. Główną rolę odgrywa tu czarna dziura o masie około sześciu mas Słońca, ściągająca materię z gwiezdnego giganta o masie trzy razy większej od Słońca. Obiekty krążą wokół wspólnego środka masy, okrążając się nawzajem raz na niecałe trzy dni. Co ciekawe, dżet emitowany przez układ V4641 Sgr skierowany jest w stronę Układu Słonecznego. W tej konfiguracji ziemski obserwator ma relatywistycznie zniekształcone postrzeganie czasu materii na początku i na końcu dżetu: jego przód zaczyna wydawać się młodszy niż jest w rzeczywistości. W rezultacie wydaje się, że dżet rozprzestrzenia się w przestrzeni z prędkością ponadświetlną, w tym przypadku aż dziewięciokrotnie większą od prędkości światła.
„Co istotne, mikrokwazar V4641 Sgr okazuje się nie być wyjątkowy. Tymczasem niezwykle energetyczne fotony są wykrywane nie tylko z tego, ale także z innych mikrokwazarów wykrywanych przez obserwatorium LHAASO. Dlatego wydaje się prawdopodobne, że mikrokwazary znacząco przyczyniają się do promieniowania kosmicznego przy najwyższych energiach w naszej galaktyce” – dodaje dr Casanova.
Wniosek: nowa era w astrofizyce
Najnowsze odkrycie interesuje nie tylko naukowców zajmujących się promieniowaniem kosmicznym. Dowodzi, że w stosunkowo niewielkiej odległości od Ziemi mechanizmy powstawania dżetów i produkcji ultraenergetycznych fotonów muszą działać analogicznie do tych, jakie zachodzą w jądrach aktywnych, odległych galaktyk, skalowanych odpowiednio do masy czarnej dziury.
Procesy te w mikrokwazarach zachodzą w znacznie bardziej przyjaznej dla człowieka skali czasu – w ciągu dni, a nie setek tysięcy czy milionów lat. Co więcej, fotony emitowane przez mikrokwasary nie muszą przedostawać się przez miliony lat świetlnych kosmicznej próżni, gdzie mogą zostać rozproszone lub pochłonięte w wyniku interakcji z fotonami wszechobecnego kosmicznego promieniowania tła.
Wszystko to oznacza, że astrofizycy po raz pierwszy zyskali możliwość dokonywania kompleksowych i praktycznie niezakłóconych obserwacji procesów kluczowych dla ewolucji galaktyk.
Odniesienie: „Ultra-wysokoenergetyczna bańka promieniowania gamma wokół mikrokwazaru V4641 Sgr” autorstwa R. Alfaro, C. Alvarez, JC Arteaga-Velázquez, D. Avila Rojas, HA Ayala Solares, R. Babu, E. Belmont-Moreno, KS Caballero-Mora, T. Capistrán, A. Carramiñana, S. Casanova, U. Cotti, J. Cotzomi, S. Coutiño de León, E. De la Fuente, D. Depaoli, N. Di Lalla, R. Diaz Hernandez , BL Dingus, MA DuVernois, M. Durocher, JC Díaz-Vélez, K. Engel, C. Espinoza, KL Fan, K. Fang, N. Fraija, S. Fraija, JA García-González, F. Garfias, A. Gonzalez Muñoz, MM González, JA Goodman, S. Groetsch, JP Harding, I. Herzog, J. Hinton, D. Huang, F. Hueyotl-Zahuantitla, P. Hüntemeyer, A. Iriarte, V. Joshi, S. Kaufmann, D. Kieda, C. de León, J. Lee, H. León Vargas, JT Linnemann, AL Longinotti, G. Luis-Raya, K. Malone, O. Martinez, J. Martínez-Castro, JA Matthews, P. Miranda -Romagnoli, JA Morales-Soto, E. Moreno, M. Mostafá, A. Nayerhoda, L. Nellen, M. Newbold, MU Nisa, R. Noriega-Papaqui, L. Olivera-Nieto, N. Omodei, M. Osorio , Y. Pérez Araujo, EG Pérez-Pérez, CD Rho, D. Rosa-González, E. Ruiz-Velasco, H. Salazar, D. Salazar-Gallegos, A. Sandoval, M. Schneider, J. Serna-Franco, AJ Smith, Y. Son, RW Springer, O. Tibolla, K. Tollefson, I. Torres, R. Torres-Escobedo, R. Turner, F. Ureña-Mena, E. Varela, L. Villaseñor, X. Wang, IJ Watson, E. Willox, S. Yun-Cárcamo i H. Zhou, 16 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07995-9
