W centrum naszej Galaktyki odkryto źródło przyspieszające cząstki promieniowania kosmicznego do niespotykanej energii

18 marca 2016

Artystyczna wizja procesu emisji promieniowania gamma z wielkiego obłoku molekularnego otaczającego centrum Galaktyki bombardowanego przez wysokoenergetyczne protony pochodzące z okolic centralnej czarnej dziury.

Od ponad dziesięciu lat Obserwatorium H.E.S.S. w Namibii, prowadzone przez międzynarodową współpracę 42 instytucji z 12 krajów (w tym z Polski), prowadzi obserwacje centrum naszej Galaktyki w promieniach gamma bardzo wysokich energii. Promienie gamma są wytwarzane przez promieniowanie kosmiczne z najbardziej centralnych obszarów naszej Galaktyki. Szczegółowa analiza najnowszych obserwacji, opublikowana w dniu 16 marca 2016 roku w czasopiśmie Nature, ujawnia po raz pierwszy źródło tego kosmicznego promieniowania o energii nigdy dotychczas nie obserwowanej – masywną czarną dziurę, mogącą przyspieszać cząstki promieniowania kosmicznego do energii sto razy większej niż te osiągnięte w największym naziemnym akceleratorze cząstek LHC w CERN.

Ziemia jest stale bombardowana przez wysokoenergetyczne cząstki (protony, elektrony i jądra atomowe) pochodzenia kosmicznego, które tworzą tak zwane promieniowanie kosmiczne. Cząstki promieniowania kosmicznego posiadają ładunek elektryczny, a co za tym idzie są mocno odchylane przez międzygwiazdowe pole magnetyczne, które przenika naszą Galaktykę. Drogi cząstek promieniowania kosmicznego w kosmosie są przez te odchylenia przypadkowe, co uniemożliwia bezpośrednią identyfikację źródeł astrofizycznych odpowiedzialnych za ich powstawanie. Z tego powodu, pochodzenie promieni kosmicznych jest od stu lat jedną z najgłębszych tajemnic nauki. Na szczęście, promienie kosmiczne oddziałują ze światłem i gazem w miejscu powstawania, wytwarzając promieniowanie gamma. Fotony promieniowania gamma przemieszczają się po liniach prostych, nieodchylone prze pole magnetyczne, przez co można określić ich pochodzenie. Gdy promień gamma o bardzo wysokiej energii dociera do Ziemi, oddziałuje z cząsteczką w górnych warstwach atmosfery tworząc kaskadę cząstek wtórnych, które emitują krótki impuls tak zwanego „światła Czerenkowa”. Rejestrując te błyski światła przy użyciu teleskopów wyposażonych w duże zwierciadła, czułe detektory i szybką elektronikę, w ciągu ostatnich trzech dekad udało się zidentyfikować ponad 100 źródeł promieniowania gamma o bardzo wysokiej energii. Obserwatorium H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) w Namibii reprezentuje najnowszą generację tego typu instrumentów. Obserwatorium prowadzone jest przez naukowców z 42 instytucji w 12 krajach, w tym przez polski zespół badaczy z 5 uniwersytetów i instytutów PAN.

Z prowadzonych w ostatnich latach badań wiemy, że promienie kosmiczne o energiach sięgających 100 teraelektronowoltów (TeV)¹ są produkowane w naszej Galaktyce przez obiekty takie jak pozostałości po supernowych i mgławice pulsarowe. Teoretyczne argumenty i bezpośredni pomiar promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi wskazują jednak, że kosmiczne fabryki promieniowania w naszej Galaktyce powinny być w stanie przyspieszyć cząstki do energii co najmniej jednego petaelektronowolta (PeV)². Choć w ciągu ostatnich lat odkryto wiele kosmicznych akceleratorów o energiach rzędu kilku TeV, do tej pory poszukiwania galaktycznych źródeł promieniowania kosmicznego najwyższych energii pozostawały bezskuteczne.

Szczegółowe obserwacje centrum naszej Galaktyki, wykonane przez Obserwatorium H.E.S.S. w ciągu ostatnich dziesięciu lat, a dziś opublikowane w czasopiśmie Nature, wreszcie doprowadziły do przełomowego odkrycia. W ciągu pierwszych trzech lat obserwacji zespól H.E.S.S. odkrył bardzo mocne punktowe źródło promieniowania gamma w centrum Galaktyki, a także rozproszoną emisję promieniowania gamma z olbrzymich obłoków molekularnych, które otaczają to źródło w promieniu około 500 lat świetlnych. Te obłoki molekularne są bombardowane przez promieniowanie kosmiczne poruszające się z prędkością bliską prędkości światła przez co wytwarzają promieniowanie gamma w wyniku oddziaływania cząstek z materią obłoków. Zadziwiająca zgodność pomiędzy gęstością materii w obłokach a miejscem emisji promieniowania gamma wskazuje na obecność jednego lub więcej akceleratorów promieni kosmicznych w tym regionie. Jednak natura tych źródeł pozostawała tajemnicą.

Bardziej szczegółowe obserwacje uzyskane przez obserwatorium H.E.S.S. między 2004 a 2013 rokiem rzucają nowe światło na procesy tworzenia promieni kosmicznych w tym regionie. Według Aiona Viana (MPiK, Heidelberg), „bezprecedensowa ilość danych i postęp w metodach analitycznych pozwala nam mierzyć jednocześnie rozkład przestrzenny i energię promieni kosmicznych.” Z tych unikalnych pomiarów naukowcy H.E.S.S. są po raz pierwszy w stanie wskazać źródła tych cząstek: „Gdzieś w środkowym obszarze naszej Galaktyki o promieniu około 30 lat świetlnych znajduje się astrofizyczne źródło zdolne do przyspieszania protonów do energii około petaelektronowolta, nieprzerwanie od co najmniej 1000 lat”, mówi Emmanuel Moulin (CEA Saclay). W sposób analogiczny do "Tevatronu", pierwszego akceleratora zbudowanego przez człowieka, który osiągnął energię 1 teraelektronowolta (TeV), ta nowa klasa kosmicznych akceleratorów został nazwana „Pevatronami”. „Dzięki H.E.S.S. jesteśmy w stanie prześledzić propagację protonów PeV w centralnej części Galaktyki”, dodaje Stefano Gabici (CNRS, Paryż). W centrum naszej Galaktyki znajduje się wiele obiektów zdolnych do wytwarzania promieniowania kosmicznego o wysokiej energii, w tym, w szczególności, pozostałość supernowej, mgławica pulsarowa, czy zwarta gromada masywnych gwiazd. Jednak „supermasywna czarna dziura znajdująca się w centrum Galaktyki, zwana Sgr A*, jest najbardziej prawdopodobnym źródłem protonów PeV”, mówi Felix Aharonian (MPiK w Heidelbergu i DIAS w Dublinie), dodając, że „można rozważyć kilka możliwych obszarów przyspieszenia cząstek, zarówno w bezpośrednim sąsiedztwie czarnej dziury, lub dalej, gdzie część materiału spadającego na czarną dziurę jest wyrzucana do otoczenia, co może inicjować przyspieszenie cząstek”.

Dokonany przez Obserwatorium H.E.S.S. pomiar widma energii emisji promieniowania gamma może być użyty do ustalenia rozkładu energii protonów, które zostały przyspieszone przez centralną czarną dziurę – wskazując, że Sgr A* jest najprawdopodobniej miejscem przyspieszenia protonów do energii PeV. Obecnie ilość tych protonów nie jest wystarczająca aby wyjaśnić całkowity strumień promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi. „Jeżeli jednak nasza centralna czarna dziura była bardziej aktywna w przeszłości”, argumentują naukowcy, „to w istocie mogłaby być odpowiedzialna za większość dzisiejszych galaktycznych promieni kosmicznych obserwowanych na Ziemi”. Obecne wyniki oznaczają ogromny postęp w trwającej od wieku debacie o pochodzeniu tych tajemniczych cząstek. Możemy się spodziewać że dalsze dokładniejsze pomiary w Obserwatorium H.E.S.S. jak i w Obserwatorium "Cherenkov Telescope Array" (CTA), którego uruchomienie planowane jest po roku 2020, pozwolą na szczegółową weryfikację tych wyników.

Współautorami opisanego powyżej odkrycia obserwatorium H.E.S.S. są astrofizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego PAN: dr Sabrina Casanova, dr hab. Jacek Niemiec oraz dr Alicja Wierzcholska, którzy są członkami współpracy H.E.S.S. Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie pełni rolę koordynatora projektu H.E.S.S. w Polsce, a obok IFJ PAN w skład polskiego konsorcjum wchodzą ponadto: Uniwersytet Jagielloński w Krakowie, Uniwersytet Warszawski i Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu. W IFJ PAN prowadzone są też prace naukowe i aparaturowe przy budowie wspomnianego nowego światowego obserwatorium promieniowania gamma najwyższych energii – Cherenkov Telescope Array (CTA).

¹ 1 TeV = 1012 eV, odpowiada energii tysiąc miliardów większej niż energia promieniowania widzialnego
² 1 PeV = 1000 TeV = 1015 eV

[PDF]

Kontakt:

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

prof. Rafał Moderski (koordynator H.E.S.S. w Polsce)
Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika PAN, Warszawa
tel. +48 22 3296113
email: moderski@camk.edu.pl

Artykuł naukowy:

„Acceleration of Petaelectronvolt protons in the Galactic Centre” Wspólpraca H.E.S.S.
Nature advance online publication, 16 March 2016 (DOI 10.1038/nature17147)

WWW:

Strona główna H.E.S.S.: www.mpi-hd.mpg.de/HESS
Teleskopy H.E.S.S.: www.mpi-hd.mpg.de/HESS/pages/about/

Materiały graficzne:

Artystyczna wizja procesu emisji promieniowania gamma z wielkiego obłoku molekularnego otaczającego centrum Galaktyki bombardowanego przez wysokoenergetyczne protony pochodzące z okolic centralnej czarnej dziury.