Astronomiczny Obiekt Miesiąca: Wrzesień 2024

< poprzedni Archiwum następny >

Dziwny galaktyczny mikrokwazar SS 433

Obserwatorium H.E.S.S. w Namibii zarejestrowało wysokoenergetyczne promieniowanie gamma pochodzące z dżetów mikrokwazara SS 433 i precyzyjnie zlokalizowało w nich jeden z najbardziej wydajnych akceleratorów cząstek w naszej Galaktyce. Porównując obrazy promieniowania gamma o różnych energiach, po raz pierwszy udało się oszacować prędkość dżetów w znacznym oddaleniu od źródła ich emisji. To z kolei pozwala zidentyfikować mechanizm, który tak skutecznie przyspiesza kosmiczne cząstki.

SS 433 to układ podwójny, w którym czarna dziura o masie około dziesięciokrotnie większej od Słońca i gwiazda o podobnej masie, ale zajmująca znacznie większą objętość, okrążają się nawzajem z okresem 13 dni. Intensywne pole grawitacyjne czarnej dziury wyrywa materię z powierzchni gwiazdy. Ta materia gromadzi się następnie w dysku gorącego gazu, który zasila czarną dziurę. Gdy materia opada w kierunku czarnej dziury, dwa silnie skolimowane dżety, czyli strumienie naładowanych cząstek -- plazmy, są wystrzeliwane prostopadle do płaszczyzny dysku, z prędkością równą około jednej czwartej prędkości światła. SS 433 jest przy tym jednym z najbardziej intrygujących obiektów w Drodze Mlecznej. Obserwatorium H.E.S.S. zdołało wykryć pochodzące z jego dżetów wysokoenergetyczne promieniowanie gamma i jednocześnie wskazać dokładną lokalizację w obrębie dżetów jednego z najbardziej wydajnych akceleratorów cząstek w całej Galaktyce. Wyniki badań opublikowano w Science.

Dżety SS433 da się wykryć w zakresie radiowym i rentgenowskim w odległości mniejszej niż jeden rok świetlny po obu stronach centralnego układu podwójnego, po czym w większych odległościach są one już zbyt słabe, aby mogły być dostrzeżone. Zaskakujące jest jednak to, że w odległości około 75 lat świetlnych od miejsca ich powstawania, dżety nagle pojawiają się ponownie jako jasne źródła promieniowania rentgenowskiego. Przyczyny ich ponownego ukazania się przez długi czas były trudne do zrozumienia. Podobne relatywistyczne dżety są również obserwowane w centrach aktywnych galaktyk (na przykład kwazarów), ale są one wówczas znacznie większe niż „wewnątrzgalaktyczne” dżety SS 433. Ze względu na tę analogię, obiekty takie jak SS 433 są klasyfikowane jako mikrokwazary.

Do niedawna jeszcze nie wykrywano emisji promieniowania gamma z mikrokwazara. Zmieniło się to jednak w 2018 roku, gdy w obserwatorium High Altitude Water Cherenkov Gamma-ray (HAWC) po raz pierwszy zarejestrowano promienie gamma o bardzo wysokiej energii pochodzące z dżetów SS 433. Oznacza to, że w pewnym miejscu w tych dżetach cząstki są przyspieszane do ekstremalnych energii. Obecnie, po dekadach badań, nadal nie jest jednak do końca jasne, w jaki sposób i gdzie cząstki są przyspieszane w dżetach astrofizycznych.

Badanie emisji promieniowania gamma mikrokwazarów ma istotną zaletę: choć dżety SS 433 są 50 razy mniejsze niż dżety najbliższej aktywnej galaktyki, Centaurus A, SS 433 znajduje się wewnątrz Drogi Mlecznej, a zatem tysiąc razy bliżej Ziemi. W rezultacie widoczne dla nas na niebie dżety SS 433 są znacznie większe, a tym samym ich cechy morfologiczne można łatwiej analizować za pomocą współczesnych teleskopów wykrywających promieniowanie gamma.

Obserwatorium H.E.S.S. po odkryciu HAWC rozpoczęło własną kampanię obserwacyjną układu SS 433. Rezultatem było około 200 godzin pomiarów i jednoznaczne wykrycie emisji gamma z dżetów SS 433. Wysoka rozdzielczość kątowa teleskopów H.E.S.S. w porównaniu do wcześniejszych obserwacji pomogła naukowcom po raz pierwszy wskazać dokładnie źródło emisji gamma w dżetach. Choć nie wykryto promieniowania gamma dochodzącego do nas z samego układu podwójnego, emisja ta pojawiła się nagle w zewnętrznym obszarze dżetów, w odległości około 75 lat świetlnych od gwiazdy i czarnej dziury, co jest zgodne z wcześniejszymi obserwacjami rentgenowskimi.

Tym, co najbardziej zaskoczyło astronomów, była zmiana lokalizacji emisji gamma dla różnych obserwowanych energii. Fotony promieniowania gamma o najwyższych energiach, przekraczających 10 teraelektronowoltów, wykryto tylko w miejscu, w którym gwałtownie pojawiają się dżety (rys. 2c). Z kolei obszary, które emitują promienie gamma o niższych energiach, pojawiają się dalej wzdłuż każdego z dżetów. Pozycja emisji zmienia się zatem w zależności od energii fal gamma.

Zespół przeprowadził symulację obserwowanej zależności emisji gamma od energii i uzyskał pierwsze w historii oszacowanie prędkości zewnętrznych dżetów. Różnica między tą prędkością a wartością prędkości, z jaką wystrzeliwane są dżety, sugeruje, że mechanizmem przyspieszającym cząstki w dalszej odległości od źródła dżetów jest silny astrofizyczny szok -- nagła zmiana we właściwościach ośrodka. Obecność takiego szoku stanowi też naturalne wyjaśnienie ponownego pojawienia się dżetów rentgenowskich, ponieważ przyspieszone elektrony również wytwarzają promieniowanie rentgenowskie. A kiedy te szybkie cząstki zderzają się z fotonami, przekazują im część swojej energii, a w ten sposób produkują wysokoenergetyczne fotony gamma obserwowane przez H.E.S.S. I choć wciąż niewiele wiadomo na temat pochodzenia szoków w miejscach, gdzie dżety ponownie się pojawiają, i nie mamy też modelu wyjaśniającego jednocześnie wszystkie właściwości dżetów, zdaniem zespołu niewielka odległość SS 433 od Ziemi oferuje wyjątkową okazję do dalszych badań zjawisk przyspieszania cząstek w relatywistycznych dżetach. Istnieje też szansa, że uzyskane wyniki będzie można następnie przełożyć na tysiąc razy rozleglejsze dżety aktywnych galaktyk i kwazarów, co pozwoli rozwikłać wiele zagadek związanych z ich pochodzeniem.



Oryginalna publikacja: H.E.S.S. Collaboration, Acceleration and transport of relativistic electrons in the jets of the microquasar SS 433, Science 383, 6 (2024).

Opisane badania są częścią tematyki badawczej realizowanej 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 L.Stawarz [@] oa.uj.edu.pl