Badania obserwatorium HAWC wskazują na ekstremalny akcelerator kosmiczny jako źródło galaktycznych promieni kosmicznych.
W obserwatorium High-Altitude Water Cherenkov (HAWC), znajdującym się na wysokości 4000 metrów nad poziomem morza na wulkanie Sierra Negra w Meksyku, naukowcy zagłębiają się w tajemnicę gwałtownych zmian w galaktyce Drogi Mlecznej. Międzynarodowy zespół badawczy pod przewodnictwem Los Alamos National Laboratory zaobserwował promienie gamma o skrajnie wysokiej energii, przekraczającej 100 teraelektronowoltów, po raz pierwszy śledząc ich pochodzenie do centrum Galaktyki.
Wyniki te dają wgląd w centrum Drogi Mlecznej, gdzie widać energie o rząd wielkości wyższe niż kiedykolwiek wcześniej obserwowane – powiedział Pat Harding, fizyk z Los Alamos i główny badacz projektu z ramienia Departamentu Energii. Badania te po raz pierwszy potwierdzają istnienie źródła PeVarton promieni gamma o skrajnie wysokiej energii w miejscu w Drodze Mlecznej znanym jako Centralny Galaktyczny Grzebień (and. Galactic Center Ridge), co oznacza, że w centrum Galaktyki zachodzą jedne z najbardziej ekstremalnych procesów fizycznych we Wszechświecie.
Obserwatorium HAWC gromadzi takie dane od ponad siedmiu lat. W tym czasie naukowcy zaobserwowali prawie 100 zdarzeń promieniowania gamma o energii przekraczającej 100 teraelektronowoltów. Jak opisano w analizie przeprowadzonej przez Sohyoun Yun-Cárcamo i opublikowanej w Astrophysical Journal Letters, dane te pozwalają na bezpośrednie badanie interakcji promieni kosmicznych z PeVatronem i porównanie ich z innymi obserwacjami, pomagając określić procesy emisji i lokalizację – w samym centrum Drogi Mlecznej.
Najgwałtowniejsze procesy we Wszechświecie
Sam PeVarton pozostaje zjawiskiem mało znanym, ale fakt jego istnienia w jakiejkolwiek formie wskazuje na gwałtowny reżim w centrum Galaktyki. Wiadomo, że ten region Drogi Mlecznej zawiera supermasywną czarną dziurę otoczoną gwiazdami neutronowymi i białymi karłami, które pozbawiają pobliskie gwiazdy materii. Obszar ten jest spowity gęstymi chmurami gazu, które osiągają temperaturę milionów stopni i uniemożliwiają bezpośrednią obserwację optyczną tego regionu.
Obserwacja promieniowania gamma ma zatem kluczowe znaczenie dla zrozumienia procesów kosmicznych zachodzących w tym ekstremalnym środowisku. Promienie gamma o skrajnie wysokiej energii powstają w obecności źródła PeVarton, które przyspiesza cząstki do energii miliona miliardów elektronowoltów (PeV), czyli kwadrylion razy mocniej niż cząstki światła wydobywające się z żarówki. Protony promieniowania kosmicznego generowane przez PeVatron poruszają się z prędkością ponad 99% prędkości światła, wchodząc w interakcję z gęstym gazem otoczenia i powodując powstawanie promieni gamma o skrajnie wysokiej energii.
Dokładna natura PeVatronów pozostaje jednak tajemnicą, jednak na pewno mamy do czynienia z jednym z najbardziej gwałtownych procesów, jakie można sobie wyobrazić we Wszechświecie: mamy tu śmierć gwiazdy w supernowej, wstrząsy i promieniowanie towarzyszące bogatym w fuzje narodzinom gwiazd oraz czarną dziurę połykającą inną czarną dziurę.
Wiele z tych procesów jest tak rzadkich, że nie spodziewaliśmy się ich wystąpienia w naszej Galaktyce lub zaobserwowania ich w skali, która nie koreluje z rozmiarem naszej Galaktyki – powiedział Harding. Na przykład czarna dziura zjadająca czarną dziurę byłaby zdarzeniem, którego można by się spodziewać tylko poza naszą Galaktyką.
Promieniowanie Czerenkowa w detekcji cząstek
Obserwatorium HAWC to unikalny eksperyment mający na celu wychwycenie stosunkowo niewielu promieni gamma o bardzo wysokiej energii, które mogą pokonać odległości międzygwiazdowe i dotrzeć do Ziemi. Na zboczu wulkanu Sierra Negra znajduje się 300 silosów zbożowych wypełnionych wodą, a dno każdego z nich wyłożone jest detektorami fotopowielacza.
Gdy cząstki o skrajnie wysokiej energii docierają do ziemskiej atmosfery, rozpadają się na szerokie wiązki cząstek o niższej energii. Gdy naładowane cząstki przechodzą przez zbiorniki z prędkością przekraczającą prędkość fazową wody, wytwarzają promieniowanie Czerenkowa i niebieską poświatę – efekt nieco podobny do słyszalnego uderzenia dźwiękowego. Naukowcy przeanalizowali następnie rozkład czasowy cząstek wykrytych w zbiornikach, aby zrozumieć reżimy energetyczne w grze, dedukując pochodzenie cząstek jako skrajnie wysokoenergetyczne promieniowanie gamma.
Ustalanie konkretnej lokalizacji PeVatron
Eksperyment obserwatorium HAWC opiera się na przełomowym eksperymencie Milagro – obserwatorium promieniowania gamma ze zbiornikiem wodnym o pojemności 19 milionów litrów i 700 detektorami światła w górach Jemez na obrzeżach Los Alamos. Milagro zbierał dane do 2008 roku, a następnie naukowcy przenieśli się na południe, do obserwatorium HAWC, aby móc rejestrować cząstki bliżej centrum Galaktyki.
Zespół badawczy planuje rozszerzyć ustalenia obserwatorium HAWC i zawęzić konkretne miejsce źródła PeVatron za pomocą nowego eksperymentu, Southern Wide-field Gamma-ray Observatory – obiektu budowanego na pustyni Atakama w Chile. Z tym szerszym oknem na centrum Drogi Mlecznej możemy uzyskać bliższy wgląd w tajemnicę w sercu naszej rodzimej Galaktyki.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Highest-energy ever gamma rays observed from Milky Way center
- Observation of the Galactic Center PeVatron beyond 100 TeV with HAWC
Źródło: LANL
Na ilustracji: Centrum Drogi Mlecznej, patrząc w kierunku konstelacji Strzelca i niewidzialnej czarnej dziury zwanej Sagittarius A*. Źródło: NASA
