Astronomiczny Obiekt Miesiąca: Luty 2024

< poprzedni Archiwum następny >

Pulsar i promieniowanie gamma o rekordowej energii

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. Jak donosi międzynarodowy zespół w czasopiśmie Nature Astronomy - obserwacja ta jest trudna do pogodzenia z teorią powstawania promieniowania gamma wysokich energii w pulsarach.

Pulsary to pozostałości po gwiazdach, które eksplodowały spektakularnie jako supernowe. Wybuchy supernowych pozostawiają po sobie małą martwą gwiazdę o średnicy zaledwie około 20 kilometrów, bardzo szybko rotującą i obdarzoną ogromnym polem magnetycznym. 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.

Pulsary emitują obracające się wiązki promieniowania elektromagnetycznego, podobnie jak kosmiczne latarnie morskie. Jeśli ich wiązka omiata Układ Słoneczny, obserwujemy błyski promieniowania w regularnych odstępach czasu. Te błyski, nazywane też pulsami promieniowania, 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 razem z nią. Podczas swojej podróży na zewnątrz elektrony zyskują energię i uwalniają ją w postaci obserwowanych wiązek promieniowania.

Pulsar Vela pulsar (PSR J0835-4510) znajdujący się na południowym niebie w gwiazdozbiorze Żagla, jest najjaśniejszym 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 końca magnetosfery pulsara i z niej uciekają. Dzięki długotrwałym obserwacjom z użyciem teleskopów H.E.S.S. w Namibii odkryto teraz nowy składnik promieniowania w zakresie jeszcze wyższych energii, sięgających kilkudziesięciu teraelektronowoltów (TeV). To promieniowanie około 200 razy bardziej energetyczne niż jakiekolwiek wcześniej zarejestrowane z tego obiektu. Ten bardzo wysokoenergetyczny składnik promieniowania pojawia się w tych samych fazach co składnik obserwowany w zakresie GeV. Problem w tym, że aby osiągnąć tak wysokie energie, elektrony muszą podróżować poza granicę magnetosfery, a fazy pulsów powinny pozostać nienaruszone.

Wynik kwestionuje naszą wcześniejszą wiedzę na temat pulsarów. Tradycyjny schemat, według którego cząstki są przyspieszane wzdłuż linii pola magnetycznego wewnątrz lub nieco na zewnątrz magnetosfery, nie jest w stanie dostatecznie wyjaśnić nowych obserwacji. Być może obserwujemy przyspieszanie cząstek poprzez tzw. proces rekoneksji magnetycznej poza cylindrem świetlnym, który w jakiś sposób zachowuje wzór rotacji. Jednak nawet ten scenariusz napotyka trudności w wyjaśnieniu, jak powstaje promieniowanie o tak ekstremalnej energii.

Bez względu na wyjaśnienie zagadki Vela, obok innych swoich wyjątkowych własności, oficjalnie stała się pulsarem o najwyższej odkrytej do tej pory energii promieniowania gamma. Odkrycie otwiera nowe okno obserwacyjne do wykrywania innych pulsarów w zakresie kilku dziesiątków teraelektronowoltów za pomocą obecnych i przyszłych, bardziej czułych teleskopów gamma, torując drogę do lepszego zrozumienia procesów ekstremalnego przyspieszania cząstek w tych obiektach.




Oryginalna publikacja:

The H.E.S.S. collaboration, Discovery of a Radiation Component from the Vela Pulsar Reaching 20 Teraelectronvolts, Nature Astronomy (2023).

Opisane wyniki są częścią badań prowadzonych w Zakładzie Astrofizyki Wysokich Energii Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Udział polskich naukowców w projekcie H.E.S.S. dofinansowano z programu Ministra Edukacji i Nauki “Wsparcie udziału polskich zespołów naukowych w międzynarodowych projektach infrastruktury badawczej” na podstawie umowy nr 2021/WK/06.


Kontakt:

Łukasz Stawarz Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego Łukasz.Stawarz [@] uj.edu.pl