Astronomowie od dawna poszukiwali miejsc, w których można było wystrzelić niektóre z protonów o najwyższej energii w naszej galaktyce. Teraz badania wykorzystujące 12-letnie dane z Kosmicznego Teleskopu Fermi Gamma-ray Space Telescope potwierdzają, że jedna pozostałość po supernowej jest właśnie takim miejscem.
Fermi wykazał, że fale uderzeniowe eksplodujących gwiazd przyspieszają cząstki do prędkości porównywalnych do prędkości światła. Nazywane promieniami kosmicznymi, cząstki te przybierają głównie postać protonów, ale mogą zawierać jądra atomowe i elektrony. Ponieważ wszystkie niosą ładunek elektryczny, ich ścieżki stają się zamazane, gdy przebijają się przez pole magnetyczne naszej galaktyki. Ponieważ nie możemy już stwierdzić, z którego kierunku pochodzą, maskuje to ich miejsce urodzenia. Ale kiedy te cząstki zderzają się z gazem międzygwiazdowym w pobliżu pozostałości po supernowej, wytwarzają charakterystyczną poświatę w promieniach gamma – światło o najwyższej energii.
„Teoretycy uważają, że protony promieniowania kosmicznego o najwyższej energii w Drodze Mlecznej osiągają milion miliardów elektronowoltów, czyli energie PeV” – powiedział Ke Fang, adiunkt fizyki na Uniwersytecie Wisconsin w Madison. „Dokładny charakter ich źródeł, które nazywamy PeVatronami, był trudny do ustalenia”.
Uwięzione przez chaotyczne pola magnetyczne, cząstki wielokrotnie przecinają falę uderzeniową supernowej, zyskując prędkość i energię z każdym przejściem. W końcu szczątki nie mogą już ich utrzymać i odlatują w przestrzeń międzygwiezdną.
Wzmocnione do około 10 razy więcej energii zgromadzonej przez najpotężniejszy na świecie akcelerator cząstek, Wielki Zderzacz Hadronów, protony PeV są na krawędzi całkowitej ucieczki z naszej galaktyki.
Astronomowie zidentyfikowali kilka podejrzanych PeVatronów, w tym jeden w centrum naszej galaktyki. Oczywiście na szczycie listy kandydatów znajdują się pozostałości po supernowych. Jednak spośród około 300 znanych pozostałości, tylko kilka z nich emituje promienie gamma o wystarczająco wysokich energiach.
Jeden konkretny wrak gwiazdy przyciągnął wiele uwagi astronomów zajmujących się promieniowaniem gamma. Nazwany G106.3+2.7, to chmura w kształcie komety, znajdująca się około 2600 lat świetlnych stąd w gwiazdozbiorze Cefeusza. Jasny pulsar pokrywa północny kraniec pozostałości po supernowej, a astronomowie uważają, że oba obiekty powstały podczas tej samej eksplozji.
Teleskop Wielkiego Obszaru Fermiego, jego główny instrument, wykrył promienie gamma o wartości miliarda elektronów (GeV) pochodzące z rozciągniętego ogona pozostałości. (Dla porównania, energia światła widzialnego mierzy od około 2 do 3 elektronowoltów.) System Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) w Obserwatorium Freda Lawrence’a Whipple’a w południowej Arizonie zarejestrował promienie gamma o jeszcze wyższych energiach z tego samego regionu. Zarówno wysokogórskie obserwatorium promieniowania gamma Czerenkowa na dużych wysokościach w Meksyku, jak i tybetański eksperyment AS-Gamma w Chinach wykryły fotony o energii 100 bilionów elektronowoltów (TeV) z obszaru badanego przez Fermi i VERITAS.
„Ten obiekt od dłuższego czasu budzi duże zainteresowanie, ale aby ukoronować go jako PeVatron, musimy udowodnić, że przyspiesza protony” – wyjaśnił współautor Henrike Fleischhack z Catholic University of America w Waszyngtonie i NASA Goddard Space. Centrum Lotów w Greenbelt, Maryland. „Chwyt polega na tym, że elektrony rozpędzone do kilkuset TeV mogą wytwarzać taką samą emisję. Teraz, korzystając z danych Fermiego z 12 lat, uważamy, że udowodniliśmy, że G106.3+2.7 jest rzeczywiście PeVatronem”.
Artykuł opisujący odkrycia, prowadzony przez Fanga, został opublikowany 10 sierpnia w czasopiśmie Physical Review Letters.
Pulsar, J2229+6114, podczas wirowania emituje własne promienie gamma w postaci przypominającej latarnię morską, a ta poświata dominuje w regionie do energii kilku GeV. Większość tej emisji ma miejsce w pierwszej połowie rotacji pulsara. Zespół skutecznie wyłączył pulsar, analizując tylko promienie gamma pochodzące z późniejszej części cyklu. Poniżej 10 GeV nie ma znaczącej emisji z ogona pozostałości.
Powyżej tej energii interferencja pulsara jest znikoma, a dodatkowe źródło staje się oczywiste. Szczegółowa analiza zespołu zdecydowanie faworyzuje protony PeV jako cząstki napędzające tę emisję promieniowania gamma.
„Jak dotąd G106.3+2.7 jest wyjątkowa, ale może okazać się najjaśniejszym członkiem nowej populacji pozostałości po supernowych, które emitują promienie gamma osiągające energię TeV” – zauważa Fang. „Więcej z nich może zostać ujawnionych dzięki przyszłym obserwacjom prowadzonym przez Fermiego i bardzo wysokoenergetyczne obserwatoria promieniowania gamma”.
Wideo: https://youtu.be/oYm-0MX_3HE