Astronomowie mierzą elektrony kosmiczne przy najwyższych dotychczas energiach

Pulsar znajdujący się w odległości kilku tysięcy lat świetlnych od Ziemi mógł przyspieszyć elektrony i protony do ekstremalnych energii mierzonych obecnie przez Obserwatorium H.E.S.S.

Pięć teleskopów współpracy H.E.S.S. w Namibii jest wykorzystywanych do badania promieniowania kosmicznego, zwłaszcza promieniowania gamma. Na podstawie danych z dziesięciu lat obserwacji naukowcom udało się wykryć kosmiczne elektrony i pozytony o niespotykanej dotąd energii ponad dziesięciu teraelektronowoltów (1 TeV odpowiada 10¹² elektronowoltom). Ponieważ naładowane cząstki są odchylane we wszystkich kierunkach przez pola magnetyczne w naszym kosmicznym sąsiedztwie, trudno jest określić ich pochodzenie. Tym razem jednak wyjątkowa jakość zmierzonego widma energii cząstek aż do najwyższych wartości energii otwiera nowe możliwości: naukowcy podejrzewają, że źródłem może być pulsar, który może znajdować się nie dalej niż kilka tysięcy lat świetlnych od nas.

Wszechświat jest gospodarzem ekstremalnych środowisk, od najniższych temperatur po najbardziej energetyczne źródła. Ekstremalne obiekty, takie jak pozostałości po supernowych, pulsary czy aktywne jądra galaktyk, wytwarzają naładowane cząstki i promieniowanie gamma o energiach znacznie przekraczających te osiągane w procesach termicznych, takich jak fuzje jądrowe w gwiazdach.

Podczas gdy emitowane promienie gamma przemierzają przestrzeń kosmiczną bez zakłóceń, naładowane cząstki – promieniowanie kosmiczne – są odchylane przez wszechobecne we Wszechświecie pola magnetyczne i docierają do Ziemi izotropowo ze wszystkich kierunków. Oznacza to, że naukowcy nie mogą bezpośrednio wydedukować pochodzenia promieniowania. Ponadto naładowane cząstki tracą energię w wyniku interakcji ze światłem i polami magnetycznymi. Straty te są szczególnie silne w przypadku najbardziej energetycznych elektronów i pozytonów (dodatnio naładowanych antycząstek elektronu) o energiach powyżej teraelektronowolta. Kiedy instrumenty na Ziemi mierzą naładowane cząstki kosmiczne o tak wysokich energiach, oznacza to, że nie mogły one podróżować daleko. Wskazuje to na istnienie potężnych naturalnych akceleratorów cząstek w pobliżu naszego Układu Słonecznego.

Załamanie widma ujawnia pochodzenie
W nowej analizie naukowcy ze współpracy H.E.S.S. po raz pierwszy zawęzili źródło pochodzenia tych kosmicznych cząstek. Punktem wyjścia analizy jest pomiar widma promieni kosmicznych, tj. rozkładu energii mierzonych elektronów i pozytonów. Analiza opiera się na dziesięcioletnich obserwacjach, co gwarantuje wysoką jakość danych. Zintegrowane widmo elektronów rozciąga się do kilkudziesięciu teraelektronowoltów. Nasz pomiar nie tylko dostarcza danych w kluczowym i wcześniej niezbadanym zakresie energii, wpływając na nasze zrozumienie lokalnego sąsiedztwa, ale także prawdopodobnie pozostanie punktem odniesienia na nadchodzące lata – powiedział Werner Hofmann z Instytutu Fizyki Jądrowej Maxa Plancka w Heidelbergu. W widmie, które charakteryzuje się stosunkowo małymi słupkami błędów przy energiach TeV, uderzające jest wyraźne załamanie przy około jednym teraelektronowolcie. Zarówno powyżej, jak i poniżej tego załamania, widmo podąża za prawem potęgowym bez żadnych dalszych anomalii.

Przemierzając Galaktykę
Aby dowiedzieć się, jaki proces astrofizyczny przyspieszył elektrony do tak wysokich energii i jakie jest pochodzenie załamania, naukowcy porównali te dane z przewidywaniami modelu. Kandydatami na źródła są pulsary, które są gwiezdnymi pozostałościami z silnymi polami magnetycznymi. Niektóre pulsary wydmuchują wiatr naładowanych cząstek do swojego otoczenia, a magnetyczny front uderzeniowy tego wiatru może być miejscem, w którym cząstki doświadczają wzmocnienia. To samo dotyczy fotonów uderzeniowych pozostałości po supernowych. Modele komputerowe pokazują, że elektrony przyspieszone w ten sposób podróżują w kosmos z określonym rozkładem energii. Modele te śledzą elektrony i pozytony poruszające się w Drodze Mlecznej i obliczają, jak zmienia się ich energia, gdy wchodzą w interakcje z polami magnetycznymi i światłem w Drodze Mlecznej. W procesie tym cząstki tracą tak dużo energii, że ich pierwotne widmo elektromagnetyczne ulega zniekształceniu. Na ostatnim etapie astrofizycy próbują dopasować swój model do danych, aby dowiedzieć się więcej o naturze źródeł astrofizycznych.

Ale jaki obiekt wyrzucił w przestrzeń kosmiczną elektrony, które zostały zmierzone przez teleskopy? Widmo cząstek o energiach poniżej jednego TeV składa się prawdopodobnie z elektronów i pozytonów pochodzących z różnych pulsarów lub pozostałości po supernowych. Przy wyższych energiach wyłania się jednak inny obraz: widmo energii gwałtownie spada do około jednego TeV. Potwierdzają to również modele badające cząstki przyspieszane przez źródła astronomiczne i ich dyfuzję przez galaktyczne pole magnetyczne. To przejście przy jednym teraelektronowolcie jest szczególnie wyraźne i wyjątkowo ostre. To ważny wynik, ponieważ możemy stwierdzić, że zmierzone elektrony najprawdopodobniej pochodzą z bardzo niewielu źródeł w pobliżu naszego własnego Układu Słonecznego, maksymalnie z odległości kilku tysięcy lat świetlnych – powiedziała Kathrin Egberts z Uniwersytetu w Poczdamie. Odległość ta jest stosunkowo niewielka w porównaniu z rozmiarem Drogi Mlecznej. Źródła znajdujące się w różnych odległościach znacznie rozmyły by to załamanie – dodała Egberts. Według Wernera Hofmanna, nawet pojedynczy pulsar może być odpowiedzialny za widmo elektronów przy wysokich energiach. Nie jest jednak jasne, który to pulsar. Ponieważ źródło musi znajdować się bardzo blisko, w grę wchodzi tylko kilka pulsarów.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
MPG

Vega