Odkrycie potężnych kosmicznych akceleratorów cząstek w Wielkim Obłoku Magellana

29 stycznia 2015

Obraz optyczny nieba z widoczną Drogą Mleczną oraz Obłokami Magelana i powiększenie obserwowanego w podczerwieni Wielkiego Obłoku Magellana z mapą emisji gamma uzyskaną przez obserwatorium H.E.S.S. (Milky Way image: © H.E.S.S. Collaboration, optical: SkyView, A. Mellinger; LMC image: © H.E.S.S. Collaboration, http://dirty.as.arizona.edu/~kgordon/research/mc/mc.html, Hα: R. Kennicutt, J.E. Gaustad et al. (2001), optical (B-band): G. Bothun)

Jak donosi artykuł w najnowszym numerze magazynu „Science”, obserwatorium H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) odkryło trzy wyjątkowo jasne źródła promieniowania gamma najwyższych obserwowalnych energii w Wielkim Obłoku Magellana - bliskiej galaktyce karłowatej stowarzyszonej z naszą Galaktyką.

Jest to bardzo ciekawe odkrycie, ponieważ wszystkie te źródła są w jakiś sposób wyjątkowe: najjaśniejsza znana mgławica napędzana wiatrem pulsarowym, najjaśniejsza w promieniowaniu gamma pozostałość po wybuchu supernowej oraz tzw. superbąbel – olbrzymia kulista struktura w ośrodku międzygwiazdowym o średnicy 270 lat świetlnych „wydmuchana” przez masywne gwiazdy i supernowe. Po raz pierwszy w historii znaleziono poza Drogą Mleczną związane z gwiazdami źródła promieniowania gamma o tak wysokiej energii, a wspomniany superbąbel reprezentuje nową klasę źródeł wysokoenergetycznego promieniowania gamma. Żadnego przedstawiciela tej klasy nie obserwowano dotąd w naszej Galaktyce.

Wysokoenergetyczne promieniowanie gamma jest bezpośrednim śladem działania kosmicznych akceleratorów cząstek, często zresztą znacznie potężniejszych niż Wielki Zderzacz Hardonów (LHC) w CERNie pod Genewą. W źródłach tego typu naładowane elektrycznie cząstki są przyspieszane do ekstremalnych energii, a kiedy zderzą się z kolei z fotonami lub atomami otaczającego je gazu emitują promieniowanie wysokoenergetyczne, sięgające w omawianych tu przypadkach energii rzędu dziesiątek teraelektonowoltów (1 TeV = 1012 eV). Wysokoenergetyczne promieniowanie gamma jest rejestrowane na Ziemi przy użyciu wielkich teleskopów optycznych z bardzo szybkimi kamerami rejestrującymi błyski światła Czerenkowa emitowanego przez pęki cząstek generowanych w górnych warstwach atmosfery przez wpadające fotony gamma. Znajdujące się w Namibii międzynarodowe obserwatorium H.E.S.S. składa się z 4 takich "średnich" teleskopów, o średnicy zwierciadeł 12 metrów i jednego wielkiego o średnicy 28 metrów. Ten ostatni był budowany także z udziałem polskiego konsorcjum instytutów PAN i uniwersytetów, którego Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego PAN jest członkiem.

Wielki Obłok Magellana to satelita Drogi Mlecznej, niewielka galaktyka odległa o 170 tys. lat świetlnych, zawierająca wiele masywnych gromad gwiazd. Masywne gwiazdy są tworzone w Wielkim Obłoku Magellana w ogromnym tempie, a częstotliwość wybuchów gwiazd jako supernowych jest pięciokrotnie wyższa niż w naszej galaktyce – w 1987 roku została tam odkryta najmłodsza pozostałość po supernowej w lokalnej grupie galaktyk, widoczna wtedy na południowej półkuli nawet gołym okiem. Przez ponad 200 godzin - tylko w bezchmurne i bezksiężycowe noce - H.E.S.S. obserwował tam największy rejon formowania się gwiazd, nazywany Mgławicą Tarantula. W rezultacie dokonano prezentowanych w artykule w „Science” odkryć: po raz pierwszy w galaktyce poza Drogą Mleczną zarejestrowano trzy różne, bardzo energetyczne akceleratory cząstek, będące źródłami wysokoenergetycznego promieniowania gamma.

Superbąbel 30 Dor C był wcześniej znany jako wielka, prawie kulista struktura jasno świecąca w promieniowaniu rentgenowskim. Jak się wydaje wytworzona ona została przez kilka supernowych, które wybuchły w ciągu ostatnich kilkudziesięciu tysiący lat, oraz przez silne wiatry z widocznych tam młodych gwiazd. Obecne wyniki H.E.S.S. pokazują, że skoro takie struktury są również silnymi źródłami twardego promieniowania gamma, to muszą być bąblami promieniowania kosmicznego, czyli przyspieszonych wysokoenergetycznych cząstkek.

Pulsary to szybko obracające się gwiazdy neutronowe obdarzone silnym polem magnetycznym, które – oprócz wytwarzania impulsów radiowych – generują silny strumień relatywistycznych naładowanych cząstek. Oddziaływanie tych cząstek z materią międzygwiazdową powoduje powstanie mgławicy pulsarowej, tzw. pleriona. Najsłynniejszym obiektem tego typu jest pulsar w Mgławicy Krab w naszej Galaktyce, jedno z najjaśniejszych źródeł promieniowania gamma na niebie. Odkryty obecnie przez obserwatorium H.E.S.S. w Wielkim Obłoku Magellana pulsar PSR J0537-6910, napędzający mgławicę oznaczoną symbolem N157B, jest pod wieloma względami bliźniakiem pulsara w Krabie. Jednakże mgławica N157B jest mniej więcej dziesięciokrotnie jaśniejsza od Mgławicy Krab, prawdopodobnie – jak wynika z modelowania tego obiektu – z powodu niższej wartości pola magnetycznego i o wiele intensywniejszego oświetlenia przez sąsiednie gwiazdy.

Trzeci z kolei odkryty obiekt, pozostałość po wybuchu supernowej N132D, jasna także w zakresie radiowym i w podczerwieni, wydaje się być jednym z najstarszych i najpotężniejszych znanych obiektów tego typu emitujących bardzo wysokoenergetyczne promieniowanie gamma. Przy wieku tej struktury ocenianym na 2500 do 6000 lat jest ona jaśniejsza od znanych pozostałości po supernowych w naszej Galaktyce. Obecne odkrycie podważa obecnie obowiązującą teorię, która przewiduje, że fala uderzeniowa z tak starej pozostałości po supernowej nie jest dostatecznie szybka, aby w bardzo wydajny sposób przyspieszać cząstki. Teraz teorię będzie trzeba zrewidować!

Teleskopy obserwatorium H.E.S.S. działają od roku 2002. We wrześniu 2012 r. zespół H.E.S.S. uczcił zakończenie pierwszej dekady działalności, w ciągu której zebrano 9415 godzin obserwacji i zaobserwowano 6361 milionów pęków atmosferycznych. Większość ze znanych 150 źródeł kosmicznych wysokoenergetycznego promieniowania gamma została odkryta przez zespół H.E.S.S. W 2006 r. zespół H.E.S.S. został uhonorowany Nagrodą Kartezjusza Komisji Europejskiej, a w 2010 r. nagrodą Rossi Prize Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego. Zespół teleskopów H.E.S.S. znalazł się na liście 10 najlepszych obserwatoriów świata.

Współautorami opisanych powyżej odkryć obserwatorium H.E.S.S. są astrofizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego PAN: dr Sabrina Casanova, dr Michał Dyrda, dr hab. Jacek Niemiec oraz dr Alicja Wierzcholska. W IFJ PAN prowadzone są też prace naukowe i inżynierskie przy budowie nowego światowego obserwatorium promieniowania gamma najwyższych energii – Cherenkov Telescope Array (CTA).

Strona domowa H.E.S.S.: www.mpi-hd.mpg.de/HESS

Oryginalna publikacja:
"The exceptionally powerful TeV γ-ray emitters in the Large Magellanic Cloud", H.E.S.S. Collaboration, Science 347, 406 (2015).

[PDF]

Kontakt:

dr hab. Jacek Niemiec
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 6628292
email: jacek.niemiec@ifj.edu.pl