Galaktyczne bąble i wysokoenergetyczne cząstki z kosmosu

Bąbelki to coś powszechnego na Ziemi. Znamy je z kąpieli mydlanych i napojów gazowanych. Pęcherzyki te składają się z cienkiej warstwy cieczy otaczającej niewielką objętość powietrza lub innego gazu. W kosmosie są jednak całkiem inne bąble – złożone z lżejszego gazu uwięzionego w cięższym otoczeniu – i są być one ogromne.

Galaktyka NGC 3079 leży w odległości 67 milionów lat świetlnych od Ziemi i zawiera dwa wielkie „superbąble”. Rozciągają się one po obu stronach jej centrum – odpowiednio na 4900 i 3600 lat świetlnych. Jeden z nich jest więc tylko trochę mniejszy od drugiego. Dla porównania – jeden rok świetlny to aż 9 bilionów kilometrów.

Superbąble w tej galaktyce emitują światło w postaci promieniowania rentgenowskiego, widzialnego i radiowego, dzięki czemu są one wykrywalne przez rozmaite teleskopy NASA, w niemal całym zakresie spektrum. Na opublikowanej właśnie przez NASA, wielobarwnej kompozycji dane rentgenowskie zebrane przez orbitalne obserwatorium Chandra NASA są pokazane na fioletowo, a dane optyczne z Teleskopu Kosmicznego Hubble'a zaznaczono kolorem pomarańczowym i niebieskim. „Górny” bąbel jest bardzo dobrze widoczny, ale da się także zauważyć nieco słabszą emisję mniejszego superbąbla.

Nowe obserwacje z Teleskopu Chandra pokazują, że obecny w NGC 3079 kosmiczny akcelerator cząstek wytwarza wysokoenergetyczne cząstki właśnie na obrzeżach superbąbli. Cząstki te mogą być znacznie bardziej energetyczne niż te wytwarzane przez nas sztucznie w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), najpotężniejszym obecnie akceleratorze cząstek na świecie.

Bąble są również dowodem na to, że tego rodzaju struktury mogą być źródłem najbardziej wysokoenergetycznych cząstek tworzących promieniowanie kosmiczne, które nieustannie bombarduje Ziemię. Naukowcy sądzą, że swoiste  fale uderzeniowe generowane podczas wybuchów gwiazd mogą przyspieszać cząstki do energii około stu razy większej niż ta generowana w ziemskich akceleratorach. Nie wiadomo jednak dokładnie, skąd pochodzi jeszcze bardziej energetyczne promieniowanie kosmiczne. Nowe dane z Chandry zdają się jednak sugerować, że jednym z ich źródeł są właśnie superbąble.

W takim scenariuszu ich zewnętrzne obszary generują fale uderzeniowe w miarę rozszerzania się i zderzania z otaczającym gazem w ośrodku międzygalaktycznym. Naukowcy sądzą, że naładowane cząstki rozpraszają się wówczas lub odbijają od splątanych pól magnetycznych obecnych w tych falach uderzeniowych. Gdy cząsteczki te przechodzą przez front uderzeniowy, są dodatkowo przyspieszane. Część z nich może jednak wówczas uciec i po długiej podróży dotrzeć do Układu Słonecznego – a następnie zderzyć się z cząsteczkami ziemskiej atmosfery w postaci promieni kosmicznych.

Zaobserwowana w przypadku jednego z bąbli galaktyki NGC 3079 ilość promieniowania o różnych długościach fali sugeruje, że źródłem tej emisji są elektrony krążące spiralnie wokół linii pola magnetycznego i promieniujące w procesie zwanym promieniowaniem synchrotronowym. Jest to pierwszy bezpośredni dowód na istnienie promieniowania synchrotronowego w promieniowaniu rentgenowskim o wysokiej energii pochodzącym z superbąbla o wielkości galaktycznej. Odkrycie to mówi nam wiele między innymi o maksymalnych energiach, jakie mogą tam osiągać elektrony. Obserwacje wskazują też na to, że cząsteczki odpowiedzialne za emisję tego promieniowania rentgenowskiego musiały zostać przyspieszone w falach uderzeniowych – w przeciwnym bowiem przypadku niemal na pewno straciłyby one zbyt dużo energii podczas transportu ze środka galaktyki do jej obrzeży.

 

Ilustracja: NASA/University of Michigan

Czytaj więcej:

• Strona teleskopu Chandra
• Oryginalny artykuł
• Artykuł naukowy: Jiang-Tao Li et al., "Detection of Nonthermal Hard X-Ray Emission from the "Fermi Bubble" in an External Galaxy" (AJ 2019)

Źródło:NASA/University of Michigan

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska

Na zdjęciu: NGC 3079. Wysokoenergetyczne bąble galaktyczne w świelte widzialnym i promieniach X. Źródło: NASA/CXC/University of Michigan/J-T Li et al.; NASA/STScI