Centrum Drogi Mlecznej źródłem super-energetycznych promieni kosmicznych

asourceaccel

Od ponad 10 lat obserwatorium H.E.S.S. w Namibii prowadzone w ramach międzynarodowej współpracy 42 instytucji z 12 krajów mapuje centrum naszej galaktyki w zakresie bardzo wysoko-energetycznego promieniowania gamma. Owe promienie gamma są wytwarzane przez promienie kosmiczne pochodzące z najbardziej wewnętrznych regionów galaktyki. Szczegółowa analiza najnowszych danych z obserwatorium H.E.S.S. opublikowana w dniu wczorajszym (16 marca) w periodyku Nature, po raz pierwszy przedstawia źródło tego kosmicznego promieniowania charakteryzującego się energiami nigdy wcześniej nie obserwowanymi w Drodze Mlecznej: supermasywna czarna dziura w centrum Galaktyki pozwala rozpędzić promienie gamma do energii 100 razy wyższych od tych osiąganych przez największe naziemne akceleratory cząsteczek takie jak LHC w CERN.

Ziemia jest bezustannie bombardowana wysoko-energetycznymi cząsteczkami (protonami, elektronami i jądrami atomowymi) o pochodzeniu kosmicznym, cząsteczkami które składają się na tak zwane „promieniowanie kosmiczne.” Owe „promienie kosmiczne” posiadają ładunek elektryczny dlatego też są silnie odchylane przez międzygwiezdne pole magnetyczne, które przenika naszą galaktykę. Ich tor lotu w przestrzeni kosmicznej jest randomizowany właśnie przez takie odchylanie, dzięki czemu niemożliwym staje się bezpośrednie obserwowanie źródeł astrofizycznych odpowiedzialnych za ich powstawanie. Dlatego też od ponad stu lat pochodzenie kosmicznych promieni pozostaje jedną z najstarszych tajemnic nauki.

Na szczęście promienie kosmiczne oddziałują ze światłem i gazem znajdującym się w pobliżu ich źródła powodując powstawanie promieni gamma. Owe promienie gamma przemieszczają się po linii prostej, nieodchylane przez pola magnetyczne, i dlatego też można zbadać co jest ich źródłem. Gdy wysokoenergetyczny promień gamma dociera do Ziemi, oddziałuje z cząsteczką w górnej atmosferze wywołując lawinę wtórnych cząsteczek, które emitują krótkie pulsy tzw. promieniowania Czerenkowa.  Wykrywając takie błyski promieniowania za pomocą teleskopów wyposażonych w duże zwierciadła, czułe foto-detektory oraz szybką elektronikę w ostatnich trzech dekadach udało się zidentyfikować ponad 100 źródeł bardzo wysoko-energetycznego promieniowania gamma. Obserwatorium H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) w Namibii stanowi najnowszej generacji sieć teleskopów.  Jest ono obsługiwane przez naukowców z 42 instytucji w 12 krajach (przy czym najwięcej prac wykonują naukowcy z MPIK Heidelberg w Niemczech oraz CEA i CNRS we Francji).

Wizja artystyczna olbrzymiego obłoku molekularnego otaczającego centrum Galaktyki bombardowanego bardzo wysoko-energetycznymi protonami przyspieszanymi w pobliżu centralnej czarnej dziury. Źródło: Dr Mark A. Garlick / H.E.S.S.
Wizja artystyczna olbrzymiego obłoku molekularnego otaczającego centrum Galaktyki bombardowanego bardzo wysoko-energetycznymi protonami przyspieszanymi w pobliżu centralnej czarnej dziury. Źródło: Dr Mark A. Garlick / H.E.S.S.

Dzisiaj wiemy, że promienie kosmiczne o energiach do ok. 100 teraelektronowoltów (TeV) powstają w naszej galaktyce w obiektach takich jak pozostałości po supernowych oraz mgławicach wiatru pulsarowego. Teoretyczne założenia i bezpośrednie pomiary promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi wskazują jednak, że fabryki promieniowania kosmicznego w naszej galaktyce powinny być zdolne do emitowania cząsteczek o energii nawet petaelektronowoltów (PeV).  Choć w ostatnich latach udało się odkryć wiele akceleratorów do energii wielu TeV, to poszukiwanie źródeł najbardziej energetycznych galaktycznych promieni kosmicznych spełzły na niczym.

Szczegółowe obserwacje centralnego obszaru Galaktyki realizowane przez H.E.S.S. przez ostatnie 10 lat i opublikowane wczoraj w periodyku Nature w końcu pozwoliły na bezpośrednie zaobserwowanie przyspieszania promieni kosmicznych do energii PeV. W trakcie trzech pierwszych lat obserwacji H.E.S.S. odkrył bardzo silne punktowe źródło promieniowania gamma  w centralnym regionie Galaktyki oraz rozproszoną emisję promieniowania gamma z olbrzymiego obłoku molekularnego, które je otacza o średnicy ok. 500 lat świetlnych. Owe obłoki molekularne bombardowane są przez promienie kosmiczne poruszające się z prędkościami bliskimi prędkości światła, które powodują emisję promieniowania gamma wskutek oddziaływania z materią w obłokach. Wyjątkowo duża zbieżność między obserwowanym promieniowaniem gamma oraz gęstością materii w obłokach wskazuje na obecność co najmniej jednego akceleratora promieni kosmicznych w tym regionie. Jednak natura samego źródła pozostawała tajemnicą.

Dokładniejsze obserwacje wykonywane za pomocą H.E.S.S. w latach 2004-2013 rzuciły nowe światło na procesy napędzające promienie kosmiczne w tym regionie. Według Auona Viana (MPIK, Heidelberg) „niespotykana ilość danych oraz postęp metodologii analizy pozwala nam jednocześnie mierzyć rozkład przestrzenny i energię promieni kosmicznych.”

Dzięki tym unikalnym pomiarom naukowcy pracujący na danych z H.E.S.S. po raz pierwszy byli w stanie zlokalizować źródło tego promieniowania. „Gdzieś w centralnych 33 latach świetlnych Drogi Mlecznej znajduje się astrofizyczne źródło zdolne do przyspieszania protonów do energii ok. 1 petaelektronowolta bezustannie przez co najmniej 1000 lat,” mówi Emmanuel Moulin (CEA). Analogicznie do „Tevatron” – pierwszego zbudowanego przez ludzkość akceleratora zdolnego do osiągnięcia energii 1 TeV, nowa klasa kosmicznych akceleratorów została nazwana „Pevatron.”

„Dzięki H.E.S.S. jesteśmy teraz w stanie śledzić propagację protonów PeV w centralnym regionie Drogi Mlecznej,” dodaje Stefano Gabici (CNRS).

Centrum naszej galaktyki jest domem dla wielu obiektów zdolnych do emitowania promieni kosmicznych o wysokiej energii, w tym szczególnie pozostałości po supernowych, mgławic wokół pulsarów czy zwartych gromad masywnych gwiazd. Niemniej jednak „supermasywna czarna dziura znajdująca się w centrum naszej Galaktyki, zwana Sgr A*, to najbardziej prawdopodobne źródło protonów PeV,” mówi Felix Aharonian (MPIK, Heidelberg, DIAS, Dublin) dodając, że „można rozważać kilka regionów przyspieszania protonów, albo w bezpośredniej bliskości czarnej dziury lub nieco dalej, gdzie część materii opadającej na czarną dziurę wyrzucana jest do otoczenia tym samym inicjując przyspieszanie cząsteczek.”

Pomiary emisji promieniowania gamma wykonane przez H.E.S.S. mogą być wykorzystane do uzyskania widma protonów, które zostały przyspieszone przez centralną czarną dziurę co potwierdza, ze Sgr A* najprawdopodobniej przyspiesza protony do energii PeV. Aktualnie owe protony wciąż nie odpowiadają za całkowity strumień promieni kosmicznych rejestrowanych na Ziemi. „Jeżeli jednak nasza centralna supermasywna czarna dziura była bardziej aktywna w przeszłości, może faktycznie być odpowiedzialna za galaktyczne promienie kosmiczne obserwowane dzisiaj na Ziemi.” Jeżeli faktycznie tak jest – informacja ta dramatycznie wpłynie na niemal stuletnią debatę dotyczącą pochodzenia tych enigmatycznych cząsteczek.

Więcej informacji:

Źródło: CNRS / phys.org