_ Jet astrofizic prins într-un „ capcană de viteză'

Autorul de science fiction Arthur C. Clarke și-a selectat propriile sale șapte minuni ale lumii într-un serial de televiziune BBC în 1997. Singurul obiect astronomic pe care l-a inclus a fost SS 433. Atrăsese atenția deja în la sfârșitul anilor 1970, datorită emisiei sale de raze X și a fost descoperit mai târziu că se află în centrul unei nebuloase de gaz care este numită nebuloasa lamantin datorită formei sale unice care seamănă cu aceste mamifere acvatice.

SS 433 este un sistem stelar binar în care o gaură neagră, cu o masă de aproximativ zece ori mai mare decât cea a soarelui, și o stea, cu o masă similară, dar care ocupă un volum mult mai mare, orbitează una în jurul celeilalte cu o perioadă de 13 zile.

Câmpul gravitațional intens al găurii negre smulge material de pe suprafața stelei, care se acumulează într-un disc de gaz fierbinte care alimentează gaura neagră. Pe măsură ce materia cade spre gaura neagră, două jeturi colimate de particule încărcate (plasmă) sunt lansate, perpendicular pe planul discului, la un sfert din viteza luminii.

Jeturile SS433 pot fi detectate în radio până la raze X la o distanță mai mică de un an lumină de fiecare parte a stelei binare centrale, înainte ca acestea să devină prea slabe pentru a fi văzute. Totuși, în mod surprinzător, la aproximativ 75 de ani lumină distanță de locul lor de lansare, jeturile sunt văzute ca reapar brusc ca surse strălucitoare de raze X. Motivele acestei reapariții au fost mult timp puțin înțelese.

Jeturi relativiste similare sunt, de asemenea, observate care emană din centrele galaxiilor active (de exemplu, quasari), deși aceste jeturi sunt mult mai mari ca dimensiuni decât jeturile galactice din SS 433. Datorită acestei analogii, obiecte precum SS 433 sunt clasificate drept microquasar.

Până de curând, nicio emisie de raze gamma nu a fost detectată vreodată de la un microquasar. Dar acest lucru s-a schimbat în 2018, când Observatorul de raze gamma High Altitude Water Cherenkov (HAWC), pentru prima dată, a reușit să detecteze razele gamma de foarte mare energie din jeturile SS 433. Aceasta înseamnă că undeva în jeturi particulele sunt accelerate la energii extreme.

În ciuda deceniilor de cercetare, încă nu este clar cum sau unde sunt accelerate particulele în jeturile astrofizice.

Studiul emisiei de raze gamma de la microquasari oferă o avantaj crucial: în timp ce jeturile SS 433 sunt de 50 de ori mai mici decât cele ale celei mai apropiate galaxii active (Centaurus A), SS 433 este situat în interiorul Căii Lactee de o mie de ori mai aproape de Pământ. În consecință, dimensiunea aparentă a jeturilor SS 433 de pe cer este mult mai mare și, prin urmare, proprietățile lor sunt mai ușor de studiat cu generația actuală de telescoape cu raze gamma.

Impulsat de detectarea HAWC, H.E.S.S. Observatorul a inițiat o campanie de observare a sistemului SS 433. Această campanie a avut ca rezultat aproximativ 200 de ore de date și o detectare clară a emisiilor de raze gamma de la jeturile SS 433.

Rezoluția unghiulară superioară a H.E.S.S. telescoapele, în comparație cu măsurătorile anterioare, au permis cercetătorilor să identifice pentru prima dată originea emisiei de raze gamma în jeturi, dând rezultate interesante:

Deși nu este detectată nicio emisie de raze gamma din sistemul binar central. regiune, emisia apare brusc în jeturile exterioare la o distanță de aproximativ 75 de ani lumină de fiecare parte a stelei binare, în conformitate cu observațiile anterioare cu raze X.

Totuși, ceea ce i-a surprins cel mai mult pe astronomi a fost o schimbare a poziției emisiei de raze gamma atunci când sunt privite la energii diferite.

Fotonii de raze gamma cu cele mai mari energii de peste 10 teraelectroni-volți sunt detectați doar în punctul în care jeturile reapar brusc. În schimb, regiunile care emit raze gamma cu energii mai mici apar mai departe de-a lungul fiecărui jet.

„Aceasta este prima observație vreodată a morfologiei dependente de energie în emisia de raze gamma a unui jet astrofizic”, a spus Laura Olivera-Nieto, de la Max-Planck-Institut für Kernphysik din Heidelberg, care conducea H.E.S.S. studiul SS 433 ca parte a tezei ei de doctorat.

„Inițial am fost nedumeriți de aceste descoperiri. Concentrația unor fotoni de astfel de energie înaltă în locurile reapariției jeturilor de raze X înseamnă că trebuie să o accelerare eficientă a particulelor. avea loc acolo, ceea ce nu era de așteptat.” Descoperirile au fost publicate în Science.

Oamenii de știință au făcut o simulare a dependenței energetice observate a emisiei de raze gammy și au reușit să realizeze prima estimare a vitezei jeturilor exterioare. Diferența dintre această viteză și cea cu care sunt lansate jeturile sugerează că mecanismul care a accelerat particulele mai departe este un șoc puternic - o tranziție bruscă a proprietăților mediului.

Prezența unui Șocul ar oferi, de asemenea, o explicație naturală pentru reapariția razelor X a jeturilor, deoarece electronii accelerați produc și radiații de raze X.

„Când aceste particule rapide se ciocnesc apoi cu o particulă de lumină (foton), ei transferă o parte din energia lor - care este modul în care produc fotonii gamma de înaltă energie observați cu H.E.S.S. Acest proces se numește efectul Compton invers", explică Brian Reville, liderul grupului de Teoria Astrofizică a Plasmei de la Institutul Max Planck pentru Nuclear. Fizica în Heidelberg.

„Au existat multe speculații cu privire la apariția accelerației particulelor în acest sistem unic – nu mai este: rezultatul H.E.S.S. stabilește cu adevărat locul accelerației, natura accelerației. particule și ne permite să sondăm mișcarea jeturilor la scară mare lansate de gaura neagră”, subliniază Jim Hinton, director al Institutului Max Planck pentru Fizică Nucleară din Heidelberg și șeful Departamentului de Astrofizică Non-termică.

„Cu doar câțiva ani în urmă, era de neconceput ca măsurătorile cu raze gamma la sol să poată oferi informații despre dinamica internă a unui astfel de sistem”, adaugă co-autorul Michelle Tsirou, cercetător postdoctoral la DESY Zeuthen.

Cu toate acestea, nu se știe nimic despre originea șocurilor de la locurile unde reapare jetul. „Încă nu avem un model care să poată explica în mod uniform toate proprietățile avioanului, deoarece niciun model nu a prezis încă această caracteristică”, explică Olivera-Nieto.

Ea vrea să se dedice acestei sarcini. următorul — un obiectiv util, deoarece proximitatea relativă a SS 433 de Pământ oferă o oportunitate unică de a studia apariția accelerației particulelor în jeturile relativiste. Se speră că rezultatele pot fi transferate la jeturile de o mie de ori mai mari de galaxii și quasari active, ceea ce ar ajuta la rezolvarea numeroaselor puzzle-uri referitoare la originea celor mai energice raze cosmice.

Gama de înaltă energie. razele pot fi observate de la sol doar cu un truc. Când o rază gamma intră în atmosferă, se ciocnește de atomi și molecule și generează noi particule care se îndreaptă spre pământ ca o avalanșă. Aceste particule emit fulgerări care durează doar câteva miliarde de secundă (radiația Cherenkov), care pot fi observate cu telescoape mari special echipate pe sol.

Astronomia gamma de înaltă energie folosește, prin urmare, atmosfera ca un fluorescent gigant. ecran. H.E.S.S. observatorul, situat în Ținutele Khomas din Namibia, la o altitudine de 1.835 m, a intrat oficial în funcțiune în 2002. Este format dintr-o serie de cinci telescoape.

Patru telescoape cu diametrele oglinzii de 12 m sunt situate la colțurile unui pătrat, cu un alt telescop de 28 m în centru. Acest lucru face posibilă detectarea radiațiilor gamma cosmice în intervalul de la câteva zeci de gigaelectronvolți (GeV, 109 electronvolți) până la câteva zeci de teraelectronvolți (TeV, 1012 electronvolți).

Pentru comparație: particulele de lumină vizibilă au energii de doi până la trei electroni volți. H.E.S.S. este în prezent singurul instrument care observă cerul sudic în lumină gamma de înaltă energie și este, de asemenea, cel mai mare și mai sensibil sistem de telescop de acest gen.

(Fluierul)