17 czerwca w czasopiśmie „Nature ukazała się praca badaczy z międzynarodowego obserwatorium H.E.S.S., prezentująca odkrycie wysokoenergetycznej emisji gamma z relatywistycznej strugi, „dżetu” bliskiej aktywnej galaktyki Centaurus A (Cen A). To ważne dla astronomii odkrycie zostało dokonane z udziałem polskich naukowców, w tym m.in. zespołu z Obserwatorium Astronomicznego UJ.
Europejskie obserwatorium H.E.S.S. (skrót od angielskiej nazwy High Energy Stereoscopic System) znajduje się w Namibii, na południu Afryki, w miejscu o znakomitych warunkach pogodowych, dającym przy tym możliwość badania widocznych centralnych obszarów naszej Galaktyki. Zasadniczym elementem obserwatorium są specjalistyczne teleskopy optyczne. Obserwacje Wszechświata w zakresie wysokich energii gamma to stosunkowo nowa, dynamicznie rozwijająca się dziedzina badań astronomicznych, przynosząca zaskakujące często odkrycia i dostarczająca nowych, niekiedy przełomowych wyników naukowych. Eksperyment H.E.S.S. jest niekwestionowanym liderem światowym w tej dziedzinie badań Kosmosu. Wśród jego licznych osiągnięć można wymienić m.in. odkrycia promieniowania gamma pochodzącego z aktywnych jąder galaktyk zawierających supermasywne czarne dziury, z pozostałości po wybuchach supernowych, z relatywistycznych wiatrów w mgławicach otaczających pulsary, z centrum naszej Galaktyki czy z niektórych gromad gwiazd. Uzyskane dotąd wyniki naukowe stały się podstawą przyznania zespołowi eksperymentu H.E.S.S. prestiżowej Nagrody Kartezjusza.
Wykorzystując w sumie 202 godziny obserwacji (co odpowiada około 1/6 całego czasu obserwacyjnego dostępnego w ciągu roku na H.E.S.S!) stwierdzono niedawno, że znana już wcześniej emisja wysokoenergetycznego promieniowania gamma z galaktyki aktywnej Cen A pochodzi nie tylko z okolicy znajdującej się w jej centrum supermasywnej czarnej dziury, ale rozciąga się również wzdłuż „dżetu”, na tysiące lat świetlnych w głąb badanej radiogalaktyki.
Emisja promieniowania gamma, generowane w kosmosie promieniowanie elektromagnetyczne o wielkich energiach, powstaje głównie w wyniku oddziaływania przyspieszonych i naładowanych elektrycznie cząstek z otaczającym je gazem lub polem promieniowania. Zatem w „dżecie” Cen A, daleko od centrum produkującej go galaktyki macierzystej, muszą działać potężne procesy przyśpieszania cząstek – do energii większych niż te, jakie mają protony rozpędzane przez fizyków w najpotężniejszych ziemskich akceleratorach.
Ilustracja 1. Optyczne teleskopy Czerenkowa w obserwatorium H.E.S.S. w Namibii (fot. M. Ostrowski).
Ilustracja 2. Galaktyka Cen A w zakresie optycznym, obserwowana przez H.E.S.S. emisja gamma pochodzi z jej centralnego obszaru, gdzie od czarnej dziury w samym centrum rozciąga się niewidoczny tu „dżet”. Źródło: APOD.
„Dżety”, wystrzeliwane z prędkością bliską prędkości światła z sąsiedztwa supermasywnych czarnych dziur aktywnych jąder galaktyk, są potężnymi emiterami promieniowania w całym widmie elektromagnetycznym, od fal radiowych do zakresu promieniowania gamma. O ile jednak obserwacje radiowe, optyczne czy rentgenowskie pozwalają na badanie struktury „dżetu” dzięki dużej czułości i zdolności rozdzielczej obecnych pomiarów, to jak dotąd w zakresie promieniowania gamma obserwowano jedynie nierozdzieloną emisję, która mogłaby w całości pochodzić z aktywnego centrum galaktyki.
Przełom w tym zakresie, zaprezentowany we wspomnianej na początku pracy, okazał się możliwy dzięki zastosowaniu techniki pomiaru wykorzystującej optyczne „teleskopy Czerenkowa” obserwatorium H.E.S.S. Wysokoenergetyczne promienie gamma z kosmosu rejestruje się w tym obserwatorium dzięki wytwarzanym przez nie w górnych warstwach atmosfery kaskadom cząstek wtórnych – olbrzymich pęków lecących z prędkościami bliskimi prędkości światła elektronów i pozytonów (anty-elektronów). Z tego powodu promieniowanie gamma jest dla nas na powierzchni Ziemi bezpośrednio niewidoczne. Jednak dzięki temu, że lecące przez powietrze szybciej niż wynosi prędkość światła w atmosferze (!) cząstki kaskady generują tzw. „promieniowanie Czerenkowa”, czyli słabe światło widzialne w zakresie optycznym, można takie kaskady zaobserwować oraz wyznaczyć energię i kierunek początkowej fali promieniowania gamma.
Teleskopy H.E.S.S., pozwalające na dużą precyzję pomiarów tych poświat optycznych, mogą zatem badać także odpowiadające za ich powstanie promieniowanie gamma pochodzące ze źródeł kosmicznych i to ze zdolnością rozdzielczą znacznie przewyższającą możliwości obserwatoriów satelitarnych badających kosmiczne promieniowanie gamma sponad atmosfery – takich jak Obserwatorium Fermiego. Dzięki temu stało się możliwe obecne odkrycie, przy czym dla galaktyki Cen A potrzeba było niezwykle długich obserwacji jej słabej emisji gamma oraz bardzo precyzyjnej i trudnej analizy zebranych danych obserwacyjnych.
Ilustracja 3: Incydent związany z wysokoenergetycznym promieniowaniem gamma w wysokich warstwach atmosfery generuje tzw. kaskadę cząstek wtórnych. Źródło: www.mpi-hd.mpg.de.
Międzynarodowe obserwatorium H.E.S.S. prowadzi pomiary na południu Afryki, w Namibii. Obserwatorium Astronomiczne UJ i inne wiodące polskie uczelnie biorą udział w pasjonujących pracach badawczych tego projektu już od kilkunastu lat, ze wsparciem finansowym w postaci grantów Narodowego Centrum Nauki i Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Omówienie prowadzonych przez Polaków badań zaprezentowano w roku 2017 na wykładzie w Instytucie Fizyki UJ, dostępnym na YouTube.
Międzynarodowe obserwatorium H.E.S.S., na które składa się pięć teleskopów zlokalizowanych w Namibii, obejmuje także naukowe instytuty i laboratoria z aż trzynastu krajów (w tym Francji, Niemiec, Namibii, Afryki Południowej, Irlandii, Armenii, Polski, Australii, Austrii, Szwecji, Wielkiej Brytanii, Holandii i Japonii). W pracach obserwatorium i międzynarodowego konsorcjum H.E.S.S. realizowanych w Polsce bierze udział grupa badaczy z Obserwatorium Astronomicznego UW: Tomasz Bulik i Małgorzata Curyło, z CAMK PAN: Jarosław Dyks, Włodzimierz Kluźniak, Rafał Moderski, Bronisław Rudak i Andrzej A. Zdziarski, z Obserwatorium Astronomicznego UJ: Michał Ostrowski, Marek Jamrozy i Łukasz Stawarz oraz doktorantka Angel Priama Noel, z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN: Sabrina Casanova, Jacek Niemiec i Alicja Wierzcholska, oraz badacz z Centrum Astronomii UMK – Krzysztof Katarzyński.
Czytaj więcej:
- Oryginalna publikacja: The H.E.S.S. Collaboration, Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A, Nature, VI 2020.
- Projekt H.E.S.S.
- H.E.S.S. instrument
- Teleskopy H.E.S.S. na FaceBooku
- Pierwsze odkrycie poświaty błysku promieniowania gamma w zakresie bardzo wysokich energii
- Więcej informacji o badaniach astronomicznych w OA UJ
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska, Michał Ostrowski (OA UJ)
Źródło: OA UJ/H.E.S.S.
Na zdjęciu powyżej: Galaktyka Cen A w promieniowaniu rentgenowskim z satelity Chandra. Widać silną emisję z otoczenia czarnej dziury w jej centrum oraz dżet rentgenowski skierowany w górę i na lewo. Źródło: Chandra.harvard.edu.
