W badaniach opublikowanych w “Nature” wiodącą rolę pełniła m.in. astrofizyczka dr hab. Sabrina Casanova z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. O badaniach poinformowali przedstawiciele instytutu w przesłanym PAP komunikacie prasowym.

We Wszechświecie istnieją źródła promieniowania gamma o piekielnie dużej energii. Powstają tam fotony o energii rzędu kilku czy nawet kilku setek teraelektronowoltów. 1 TeV to 1 teraelektronowolt (TeV), czyli 1 bilion elektronowoltów (eV). Dla porównania energia fotonów w świetle widzialnym to kilka elektronowoltów, a rekordowa energia zderzań wyprodukowana w Wielkim Zderzaczu Hadronów wyniosła prawie 14 TeV.

Dawniej sądzono, że fotony o energiach "z piekła rodem" mogą być produkowane przez kwazary w aktywnych jądrach odległych galaktyk, a bliżej nas - tylko przez pozostałości po wybuchach supernowych. Teraz okazuje się, że źródła takich fotonów obecne są i w Drodze Mlecznej - wytwarzają je mikrokwazary.

Jak wynika z badań opisanych w "Nature" - źródłem fotonów o energiach przekraczających 200 teraelektronowoltów okazał się mikrokwazar V4641 Sagittarii. Leży on w tle gwiazdozbioru Strzelca, w odległości około 20 tysięcy lat świetlnych od Ziemi.

Tak wysoka energia powstaje tam dzięki obecności czarnej dziury o masie około sześciu mas Słońca, która ściąga na siebie materię z gwiazdy o 3 masach Słońca. Obiekty krążą wokół wspólnego środka masy, obiegając się raz na niecałe trzy dni.

Procesy w mikrokwazarach - jak zaznaczono w komunikacie IFJ PAN - zachodzą w znacznie bardziej przyjaznej ludziom skali czasowej: w ciągu dni, a nie - jak w przypadku innych źródeł “fotonów z piekła rodem” - setek tysięcy czy milionów lat.

Co więcej, fotony wyemitowane przez mikrokwazary nie muszą przedzierać się przez miliony lat świetlnych kosmicznej próżni, gdzie mogą zostać rozproszone lub zaabsorbowane.

Wszystko to oznacza, że astrofizycy po raz pierwszy zyskali możliwość prowadzenia kompleksowych i praktycznie niezaburzonych obserwacji procesów o kluczowym znaczeniu dla ewolucji galaktyk.

Źródło promieniowania odkryli badacze w ramach obserwacji w HAWC (High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory). Obserwatorium HAWC znajduje się na zboczu wulkanu Sierra Negra w Meksyku. Instalacja składa się z 300 stalowych zbiorników wypełnionych wodą. Każdy zbiornik ukryty jest w walcowatej konstrukcji o wysokości 4 m i średnicy ok. 7 m. Czujniki szukają w wodzie błysków światła, znanych jako promieniowanie Czerenkowa. Pojawia się ono w zbiorniku, gdy wpadnie do niego cząstka poruszająca się z prędkością większą od prędkości światła w wodzie. Zazwyczaj HAWC rejestruje fotony o energiach od dziesiątków gigaelektronowoltów do setek teraelektronowoltów.

Fotony o największych energiach na ogół pochodzą z kwazarów, czyli aktywnych jąder niektórych galaktyk. Znajdujące się w nich supermasywne czarne dziury (obiekty o ogromnych masach, liczonych w setkach milionów mas Słońca) przyspieszają i pochłaniają materię z otaczającego je dysku akrecyjnego. W trakcie tego procesu z okolic biegunów czarnej dziury, w obu kierunkach wzdłuż jej osi rotacji, są wystrzeliwane bardzo wąskie i bardzo długie strugi materii, nazywane dżetami.

Sprawy mają się inaczej w przypadku obecnie odkrytych źródeł: mikrokwazarów. Są to kompaktowe układy podwójne, zbudowane z masywnej gwiazdy i pochłaniającej jej materię czarnej dziury, która emituje dżety o długościach rzędu setek lat świetlnych.

Tylko w naszej galaktyce takich obiektów odkryto do tej pory kilkadziesiąt.

„Fotony emitowane przez mikrokwazary mają znacznie mniej energii niż te pochodzące z kwazarów. Zazwyczaj mówimy tu o wartościach rzędu dziesiątków gigaelektronowoltów. Tymczasem my w danych zarejestrowanych przez detektory obserwatorium HAWC zauważyliśmy coś wręcz nieprawdopodobnego: fotony pochodzące z mikrokwazara leżącego w naszej Galaktyce, a mimo to niosące energie dziesiątki tysięcy razy większe od typowych!” - mówi dr hab. Sabrina Casanova (IFJ PAN), która wraz z dr Xiaojie Wang z Michigan Tech University i dr. Dezhi Huangiem z University of Maryland jako pierwsza zaobserwowała anomalię.

Ciekawostką jest fakt, dżet emitowany przez układ V4641 Sag jest skierowany w stronę Układu Słonecznego. W tej konfiguracji ziemski obserwator ma relatywistycznie zaburzoną percepcję czasu materii znajdującej się na początku i na końcu dżetu: jego czoło zaczyna sprawiać wrażenie młodszego niż jest w rzeczywistości. W rezultacie dżet wydaje się propagować w kosmosie z prędkością nadświetlną.

„Co istotne, mikrokwazar V4641 Sag okazuje się nie być wyjątkowy. Znany jest już drugi kandydat na źródło ekstremalnie energetycznych fotonów, mikrokwazar wykryty przez obserwatorium LHAASO. Wydaje się zatem prawdopodobne, że mikrokwazary wnoszą znaczący wkład do promieniowania kosmicznego o najwyższych energiach, powstającego w naszej galaktyce” - dodaje dr Casanova.

Najnowsze odkrycie ma znaczenie nie tylko dla naukowców zajmujących się promieniowaniem kosmicznym. Dowodzi ono - jak wyjaśnia IFJ PAN - że w stosunkowo niewielkiej odległości od Ziemi muszą działać analogiczne mechanizmy powstawania dżetów i produkcji ultraenergetycznych fotonów jak w jądrach aktywnych, dalekich galaktyk, skalujące się adekwatnie do masy czarnej dziury.

Badania współfinansowane były z grantu Narodowego Centrum Nauki.

Nauka w Polsce

lt/ agt/