Astrofizički mlaz uhvaćen u ‘brzinskoj zamci’

SS 433 je binarni zvjezdani sustav, gdje crna rupa mase deset puta veće od Sunca i zvijezda slične mase, ali znatno većeg volumena, kruže jedna oko druge svakih 13 dana. Intenzivno gravitacijsko polje crne rupe doslovce čupa materijal s površine zvijezde, koji se zatim skuplja u vrućem plinskom disku, hraneći crnu rupu. Kada materija ulazi u crnu rupu, izbacuju se dva usmjerena mlaza nabijenih čestica, ili plazme, okomito na ravninu diska, brzinom koja doseže četvrtinu brzine svjetlosti. Mlazovi SS433 detektiraju se u spektru od radio valova do X-zraka do udaljenosti manje od jedne svjetlosne godine s obiju strana centralnog binarnog sustava. Međutim, iznenađujuće, na udaljenosti od približno 75 svjetlosnih godina od mjesta pokretanja, mlazovi se neočekivano ponovno pojavljuju kao izuzetno svijetli izvori X-zraka, fenomen koji je dugo bio zagonetka za astronome.

Podobni relativistički mlazovi uočavaju se i u centrima aktivnih galaksija, poput kvazara, ali su znatno veći od galaktičkih mlazova SS 433. Zbog te sličnosti, objekti poput SS 433 kategorizirani su kao mikrokvazari. Do nedavno, gama-zračenje iz mikrokvazara nije bilo detektirano. Međutim, 2018. godine, HAWC opservatorij gama-zraka prvi je puta uspješno detektirao visokoenergetske gama-zrake iz mlazova SS 433, što ukazuje na ubrzanje čestica u mlazovima do ekstremnih energija. Unatoč desetljećima istraživanja, proces i mjesto ubrzanja čestica unutar astrofizičkih mlazova ostaju nejasni.

Ključna prednost

Istraživanje gama-zračenja iz mikrokvazara nudi ključnu prednost: iako su mlazovi SS 433 pedeset puta manji od onih u najbližoj aktivnoj galaksiji, Centaurus A, SS 433 je unutar Mliječnog puta i nalazi se tisuću puta bliže Zemlji. Zbog toga su mlazovi SS 433 na nebu vidljivi u znatno većoj veličini, što olakšava njihovo detaljno proučavanje pomoću suvremene generacije gama-zračnih teleskopa. Potaknuti rezultatima HAWC-a, Opservatorij H.E.S.S. pokrenuo je opsežnu kampanju promatranja SS 433 sustava. U 200 sati prikupljenih podataka, jasno je detektirano gama-zračenje iz mlazova SS 433.

Superiorna kutna rezolucija teleskopa H.E.S.S., u odnosu na prethodna mjerenja, omogućila je znanstvenicima da prvi put precizno odrede izvor gama-zračenja unutar mlazova, otkrivajući intrigantne podatke: Iako iz središnje binarne regije nije detektirano gama-zračenje, ono se iznenada pojavljuje u vanjskim dijelovima mlazova, oko 75 svjetlosnih godina od binarne zvijezde, što odgovara ranijim promatranjima X-zraka. Posebno iznenađujući bio je pomak u položaju gama-zračenja pri promatranju različitih energija. Gama fotoni s najvišim energijama, većim od 10 teraelektronvolti, detektiraju se samo na točkama gdje se mlazovi ponovno pojavljuju, dok se niže energetski gama zrake pojavljuju dalje duž svakog mlaza.

“Ovo je prva promatrana ovisnost o energiji u morfologiji gama-zračenja astrofizičkog mlaza”, izjavila je Laura Olivera-Nieto s Instituta Max Planck za nuklearnu fiziku u Heidelbergu, koja je vodila H.E.S.S. istraživanje SS 433 kao dio svoje doktorske teze. “Na početku smo bili zbunjeni ovim nalazima. Koncentracija visokoenergetskih fotona na mjestima gdje se X-zračni mlazovi ponovno pojavljuju ukazuje na učinkovito ubrzanje čestica na tim lokacijama, što ranije nije bilo predviđeno.”

Brzina vanjskih mlazova

Simulacijom opažene energetske ovisnosti gama-zračenja, znanstvenici su prvi put uspjeli procijeniti brzinu vanjskih mlazova. Razlika između ove brzine i brzine lansiranja mlazova ukazuje na to da je daljnje ubrzanje čestica uzrokovano jakim šokom – naglim promjenama u svojstvima medija. Prisutnost šoka pruža prirodno objašnjenje za ponovnu pojavu X-zraka u mlazovima, budući da ubrzani elektroni također proizvode X-zračenje.

“Kada se ove brze čestice sudare s česticom svjetlosti, prenose dio svoje energije, čime proizvode visokoenergetske gama fotone, zabilježene H.E.S.S.-om. Taj proces poznat je kao obrnuti Comptonov efekt”, objašnjava Brian Reville, vođa grupe za teoriju astrofizičke plazme na Max Planck Institutu za nuklearnu fiziku u Heidelbergu. “Mnogo se nagađalo o pojavi ubrzanja čestica u ovom jedinstvenom sustavu. No, rezultati H.E.S.S.-a jasno određuju mjesto ubrzanja, prirodu ubrzanih čestica te nam omogućavaju istraživanje dinamike velikih mlazova lansiranih crnom rupom”, naglasio je Jim Hinton, direktor Max Planck Instituta za nuklearnu fiziku u Heidelbergu i voditelj Odjela za ne-termičku astrofiziku. “Samo prije nekoliko godina bilo je nezamislivo da se mjerenja gama-zraka sa Zemlje mogu koristiti za dobivanje informacija o unutarnjoj dinamici takvih sustava”, dodala je suautorica Michelle Tsse Tsirou, postdoktorska istraživačica u DESY Zeuthen.

Ipak, podrijetlo šokova na mjestima gdje se mlazovi ponovno pojavljuju ostaje nepoznanica. “Trenutno ne postoji model koji bi sveobuhvatno objasnio sve karakteristike mlaza, a ni jedan dosadašnji model nije predvidio ovu značajku”, pojasnila je Olivera-Nieto.

Buduća isteaživanja

Olivera-Nieto planira posvetiti se ovom izazovu u svojim budućim istraživanjima – cilju koji je iznimno vrijedan s obzirom na to da relativna blizina SS 433 Zemlji pruža jedinstvenu priliku za detaljno proučavanje procesa ubrzanja čestica u relativističkim mlazovima. Rezultati ovih istraživanja mogli bi dati uvid u tisuću puta veće mlazove aktivnih galaksija i kvazara, što bi moglo doprinijeti rješavanju brojnih misterija o podrijetlu najenergičnijih kozmičkih zraka.

Visokoenergetske gama-zrake moguće je promatrati sa Zemlje pomoću posebnog postupka. Kada gama zraka uđe u atmosferu, sudari se s atomima i molekulama, stvarajući nove čestice koje se u lavini spuštaju prema tlu. Ove čestice emitiraju bljeskove koji traju samo nekoliko milijarditih dijelova sekunde, poznate kao Čerenkovljevo zračenje, a koje se mogu detektirati pomoću posebno opremljenih velikih teleskopa na tlu. Visokoenergetska gama astronomija koristi atmosferu kao neku vrstu ogromnog fluorescencijskog ekrana. Opservatorij H.E.S.S., smješten u Namibiji na nadmorskoj visini od 1,835 metara, službeno je započeo s radom 2002. godine i sastoji se od pet teleskopa.

Četiri teleskopa promjera zrcala od 12 metara smještena su u kutovima kvadrata, dok se dodatni teleskop promjera 28 metara nalazi u središtu. Ova konfiguracija omogućava detekciju kozmičkog gama zračenja u rasponu od nekoliko desetaka gigaelektronvolta (GeV, 10^9 elektronvolta) do nekoliko desetaka teraelektronvolta (TeV, 10^12 elektronvolta). Za usporedbu, čestice vidljive svjetlosti imaju energije od dva do tri elektronvolta. H.E.S.S. je trenutno jedini instrument koji promatra južno nebo u visokoenergetskom gama svjetlu te je ujedno i najveći i najosjetljiviji teleskopski sustav svoje vrste.

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram –t.me/kozmoshr