NuSTAR potwierdza, że Eta Carine emituje promienie kosmiczne

Potężna erupcja Eta Carinae, do której doszło w latach czterdziestych XIX wieku, doprowadziła do powstania Mgławicy Homunculus (na zdjęciu wykonanym za pomocą Hubble’a). Teraz, przy rozmiarach około jednego roku świetlnego, rozszerzający się obłok zawiera wystarczająco dużo materii, że wystarczyłoby na co najmniej 10 kopii Słońca. Astronomowie wciąż nie potrafią wyjaśnić przyczyn erupcji. Źródło: NASA, ESA oraz Hubble SM4 ERO Team

Najnowsze badania przeprowadzone za pomocą kosmicznego teleskopu NuSTAR wskazują, że Eta Carinae, najjaśniejszy i najmasywniejszy układ gwiezdny w odległości do 10 000 lat świetlnych przyspiesza cząstki do wysokich energii – niektóre z nich mogą docierać do Ziemi jako promienie kosmiczne.

“Wiemy, że fale uderzeniowe eksplodujących gwiazd mogą przyspieszać cząstki promieni kosmicznych do prędkości porównywalnych z prędkością światła, to wprost niesamowite przyspieszenie” mówi Kenji Hamaguchi, astrofizyk w NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt, główny autor opracowania. “Podobne sytuacje muszą mieć miejsce także w innych ekstremalnych środowiskach. Nasze badania wskazują, że Eta Carinae to właśnie takie miejsce”.

Astronomowie wiedzą, że promienie kosmiczne o energii wyższej od 1 miliarda elektronowoltów  (eV) docierają do nas spoza Układu Słonecznego. Ale ponieważ te cząstki – elektrony, protony i jądra atomowe – wszystkie przenoszą ładunek elektryczny, zbaczają z pierwotnego kursu za każdym razem gdy napotykają na pole magnetyczne. To zniekształca trajektorię ich lotu jednocześnie maskując ich pochodzenie.

Eta Carinae, znajdująca się 7500 lat świetlnych w południowym gwiazdozbiorze Carina, znana jest z potężnego rozbłysku, do którego doszło w XIX wieku, wskutek którego przez krótki okres była najjaśniejszą gwiazdą na niebie. W trakcie tego rozbłysku gwiazda wyrzuciła masywny obłok o kształcie klepsydry, jednak powód erupcji jak dotąd pozostaje nieznany.

Układ ten składa się z pary masywnych gwiazd, których mimośrodowe orbity zbliżają je do siebie co 5,5 roku. Gwiazdy charakteryzują się masą odpowiednio 90 i 30 mas Słońcu, a w momencie maksymalnego zbliżenia przelatują w odległości zaledwie 225 milionów kilometrów od siebie (tto średni dystans dzielący Marsa od Słońca).

“Obie gwiazdy układu Eta Carinae napędzają silne odpływy zwane wiatrami gwiezdnymi” mówi członek zespołu badawczego Michael Corcoran z Goddard. “Miejsce, w którym dochodzi do zderzenia tych dwóch wiatrów zmienia się w trakcie cyklu orbitalnego, powodując powstawanie okresowego sygnału w zakresie niskich promieni X, który śledzimy od ponad dwudziestu lat”.

Kosmiczny Teleskop promieniowania gamma Fermi także obserwuje zmiany w promieniach kosmicznych – promieniowaniu mieszczącym dużo więcej energii niż promieniowanie rentgenowskie – pochodzących ze źródła ulokowanego w kierunku Eta Carinae. Jednak ostrość Fermiego nie jest tak duża jak teleskopów rentgenowskich, więc astronomowie nie mogą potwierdzić związku między Eta Carinae a obserwowanymi promieniami.

Aby załatać lukę między monitorowanymi niskoenergetycznymi promieniami X a obserwacjami za pomocą Fermiego, Hamaguchi ze swoimi współpracownikami zwrócili się ku NuSTAR. Wyniesiony w przestrzeń kosmiczną w 2012 roku NuSTAR może obserwować promieniowanie rentgenowskiej o dużo wyższej energii niż jakikolwiek wcześniejszy teleskop. Wykorzystując zarówno nowe jak i archiwalne dane, badacze analizują obserwacje wykonane za pomocą NuSTAR między marcem 2014 a czerwcem 2016 roku oraz obserwacje niskoenergetycznego promieniowania X prowadzone za pomocą satelity XMM-Newton w tym samym czasie.

Eta Carinae świeci w zakresie rentgenowskim na powyższym zdjęciu wykonanym za pomocą Kosmicznego Obserwatorium Chandra.

Niskoenergetyczne, albo miękkie, promieniowanie rentgenowskie Eta Carinae pochodzi od gazu znajdującego się w miejscu zderzenia dwóch wiatrów gwiezdnych, gdzie temperatury przekraczają 40 milionów stopni Celsjusza. NuSTAR rejestruje także źródło emitujące promienie rentgenowskie powyżej 30 000 eV, jakieś trzy razy bardziej energetyczne niż jakiekolwiek, które dałoby się wyjaśnić falami uderzeniowymi zderzających się wiatrów. Dla porównania energia promieniowania widzialnego mieści się w zakresie 2-3 eV.

Przeprowadzona przez badaczy analiza, zaprezentowana w artykule opublikowanym 2 lipca w periodyku Nature Astronomy wskazuje, że owe twarde promienie rentgenowskie zmieniają się wraz z okresem orbitalnym układu podwójnego gwiazd i wykazują podobny schemat uwalniania energii jak promienie gamma obserwowane za pomocą Fermiego.

Badacze uważają, że najlepszym wyjaśnieniem zarówno twardego promieniowania rentgenowskiego i promieniowania gamma są elektrony przyspieszane w gwałtownych falach uderzeniowych wzdłuż granicy między dwoma strumieniami wiatru gwiezdnego. Promienie rentgenowskie rejestrowane przez NuSTAR oraz promienie gamma rejestrowane przez Fermiego pochodzą z promieniowania gwiazd, które otrzymało dodatkową energię wskutek interakcji z tymi elektronami.

Część superszybkich elektronów, jak również innych przyspieszanych cząstek, musi uciekać z tego układu i z czasem w końcu docierać do Ziemi, gdzie wykrywa się je jako promienie kosmiczne.

“Od jakiegoś czasu wiedzieliśmy, że region wokół Eta Carinae jest źródłem energetycznej emisji wysokoenergetycznych promieni X oraz gamma” mówi Fiona Harrison, główny badacz NuSTAR oraz profesor astronomii na Caltech w Kalifornii. “Ale dopóki NuSTAR nie określił źródła promieniowania i nie wykazał, że pochodzi ono z układu podwójnego badając szczegółowo jego właściwości, pochodzenie tego promieniowania pozostawało dla nas tajemnicą”.

Źródło: Goddard Space Flight Center