Naukowcy odkryli promieniowanie gamma o rekordowej energii pochodzące z pulsara
Obserwatorium H.E.S.S. rejestruje fotony o energii 20 teraelektronowoltów z pulsara Vela
6 października 2023
Artystyczna wizja pulsara Vela, widocznego w środku, oraz jego magnitosfery, której obwód jest widoczny jako jasny krąg. Niebieskie ślady wychodzące na zewnątrz ilustrują trajektorie przyspieszonych cząstek. Generują one promieniowanie gamma wzdłuż ramion wirującej spirali poprzez kolizje z fotonami podczerwonymi emitowanymi w magnitosferze (na czerwono). (Źródło: Science Communication Lab dla DESY).
Naukowcy korzystający z obserwatorium H.E.S.S. w Namibii odkryli promieniowanie gamma o rekordowej energii pochodzące z martwej gwiazdy zwanej pulsarem. Energia fotonów tego promieniowania sięga 20 teraelektronowoltów, czyli mniej więcej dziesięć bilionów razy więcej niż energia fotonów światła widzialnego. Obserwacja ta jest trudna do pogodze¬nia z teorią powstawania promieniowania gamma wysokich energii w pulsarach, jak donosi międzynarodowy zespół w czasopiśmie Nature Astronomy.
Pulsary to pozostałości po gwiazdach, które spektakularnie eksplodowały jako super¬nowe. Wybuchy supernowych pozostawiają po sobie małą martwą gwiazdę o średnicy zaled¬wie około 20 kilometrów, bardzo szybko rotującą i obdarzoną ogromnym polem magne¬tycznym. "Te martwe gwiazdy są prawie całkowicie zbudowane z neutronów i są nadzwyczaj gęste: łyżeczka ich materii ma masę ponad pięciu miliardów ton, około 900 razy większą niż masa Wielkiej Piramidy w Gizie
", wyjaśnia naukowiec z H.E.S.S., dr Emma de Oña Wilhelmi, współautorka publikacji pracująca w ośrodku DESY w Niemczech.
Pulsary emitują obracające się wiązki promieniowania elektromagnetycznego, trochę jak kosmiczne latarnie morskie. Jeśli ich wiązka omiata Układ Słoneczny, obserwujemy bły¬ski promieniowania w regularnych odstępach czasu. Te błyski, nazywane też pulsami pro¬mieniowania, mogą występować w różnych zakresach energii widma elektromagnetycznego. Naukowcy uważają, że źródłem tego promieniowania są szybkie elektrony, powstające i przyspieszane w magnetosferze pulsara w trakcie podróży ku jej peryferiom. Magnetosfera składa się z plazmy i pól elektromagnetycznych otaczających gwiazdę i obracających się ra¬zem z nią. "Podczas swojej podróży na zewnątrz elektrony zyskują energię i uwalniają ją w postaci obserwowanych wiązek promieniowania
", wyjaśnia prof. Bronisław Rudak z Centrum Astro¬nomicznego im. Mikołaja Kopernika (CAMK PAN) w Polsce, także współautor publikacji.
Pulsar Vela, znajdujący się na południowym niebie w gwiazdozbiorze Żagla, jest naj-jaśniejszym pulsarem w paśmie radiowym widma elektromagnetycznego i najjaśniejszym stałym źródłem kosmicznego promieniowania gamma w zakresie gigaelektronowoltów (GeV). Obraca się około jedenastu razy na sekundę. W zakresie energii powyżej kilku GeV jego promieniowanie nagle zanika, prawdopodobnie dlatego, że elektrony docierają do koń¬ca magnetosfery pulsara i z niej uciekają.
To nie koniec historii. Dzięki długotrwałym obserwacjom z użyciem teleskopów H.E.S.S. odkryto teraz nowy składnik promieniowania w zakresie jeszcze wyższych energii, się¬gających kilkudziesięciu teraelektronowoltów (TeV). "To jest promieniowanie około 200 razy bardziej energetyczne niż jakiekolwiek wcześniej zarejestrowane z tego obiektu", mówi współautor prof. Christo Venter z Uniwersytetu Północno-Zachodniego w Republice Południowej Afryki. Ten bardzo wysokoenergetyczny składnik promieniowania pojawia się w tych samych fazach co składnik obserwowany w zakresie GeV. Jednakże, aby osiągnąć tak wysokie energie, elek¬trony muszą podróżować poza granicę magnetosfery, a fazy pulsów powinny pozostać nie¬naruszone.
"Ten wynik kwestionuje naszą wcześniejszą wiedzę na temat pulsarów i wymaga po-nownego przemyślenia, jak działają te naturalne akceleratory
", mówi dr Arache Djannati-Ataï z laboratorium Astrocząstek i Kosmologii (APC) we Francji, który kierował badaniami. "Trady¬cyjny schemat, według którego cząstki są przyspieszane wzdłuż linii pola magnetycznego wewnątrz lub nieco na zewnątrz magnetosfery, nie jest w stanie poprawnie wyjaśnić na¬szych obserwacji. Być może obserwujemy przyspieszanie cząstek poprzez tzw. proces reko¬neksji magnetycznej poza cylindrem świetlnym, który w jakiś sposób zachowuje wzór ro¬tacji. Ale nawet ten scenariusz napotyka trudności w wyjaśnieniu, jak powstaje promienio¬wanie o tak ekstremalnej energii
".
Bez względu na wyjaśnienie, Vela, obok innych swoich wyjątkowych własności, ofi¬cjalnie stała się pulsarem o najwyższej odkrytej do tej pory energii promieniowania gamma. "To odkrycie otwiera nowe okno obserwacyjne do wykrywania innych pulsarów w zakresie kilkudziesięciu teraelektronowoltów za pomocą obecnych i przyszłych, bardziej czułych te¬leskopów gamma, torując drogę do lepszego zrozumienia procesów ekstremalnego przy¬spieszania cząstek w obiektach astrofizycznych o silnym polu magnetycznym", podkreśla dr Arache Djannati-Ataï.
[PDF]
Kontakt:
Dr. Arache Djannati-Ataï
Astroparticle & Cosmology (APC) lab, Paris, France
tel.: +33 1 57 27 61 59
email: djannati@in2p3.fr
Dr. Emma de Oña Wilhelmi
DESY, Zeuthen, Germany
tel.: +49 33762 7 7483
email: Emma.de.ona.wilhelmi@desy.de
Prof. Bronisław Rudak
Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika PAN (CAMK PAN), Warsza¬wa
tel.: +48 510814061
email: bronek@ncac.torun.pl
Prof. Christo Venter
North-West University (NWU), Potchefstroom, South Africa
tel.: +27 18 299 2423
email: Christo.Venter@nwu.ac.za
Publikacje naukowe:
„Discovery of a Radiation Component from the Vela Pulsar Reaching 20 Teraelectronvolts”
The H.E.S.S. collaboration;
Nature Astronomy, 2023;
DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-023-02052-3
Publiczny link dostępu do pełnej wersji online artykułu: https://rdcu.be/dnO0T
Link do materiału popularnonaukowego na youtube: https://www.youtube.com/watch?v=bPZkSDBtQms
Materiały graficzne:
Artystyczna wizja pulsara Vela, widocznego w środku, oraz jego magnitosfery, której obwód jest widoczny jako jasny krąg. Niebieskie ślady wychodzące na zewnątrz ilustrują trajektorie przyspieszonych cząstek. Generują one promieniowanie gamma wzdłuż ramion wirującej spirali poprzez kolizje z fotonami podczerwonymi emitowanymi w magnitosferze (na czerwono). (Źródło: Science Communication Lab dla DESY).