Prostrano područje ultravisokoenergetskog gama-zračenja u zviježđu Labuda godinama se povezivalo s mladim masivnim zvijezdama u regiji Cygnus X. Novo istraživanje pokazuje da bi najenergetskiji dio tog zračenja mogao imati sasvim drugi izvor, mikrokvazar Cygnus X-3 udaljen oko 31.600 svjetlosnih godina.
U zviježđu Labuda nalazi se jedno od najzanimljivijih područja neba za astronomiju visokih energija. Opservatorij LHAASO ondje je otkrio prostranu strukturu gama-zračenja, poznatu pod nazivom Cygnus Bubble, koja se na nebu proteže oko šest stupnjeva od središta i sadrži fotone energija sve do približno jednog petaelektronvolta. Dosadašnja tumačenja uglavnom su upućivala na područje stvaranja zvijezda Cygnus X i posebno na skupinu masivnih zvijezda Cygnus OB2 kao izvor čestica koje proizvode to zračenje.
Sada je tim predvođen Zhaodongom Shijem sa Sveučilišta za znanost i tehnologiju Kine ispitao drugu mogućnost. Njihov model pokazuje da Cygnus X-3, jedan od najekstremnijih binarnih sustava u Mliječnoj stazi, može objasniti opaženo gama-zračenje iznad približno 400 TeV.
Akcelerator čestica skriven u binarnom sustavu
Cygnus X-3 je mikrokvazar, binarni sustav u kojem kompaktni objekt, crna rupa ili neutronska zvijezda, kruži oko masivne Wolf-Rayetove zvijezde. Snažan zvjezdani vjetar opskrbljuje kompaktni objekt materijom, a dio energije oslobađa se kroz vrlo brze mlazove. Cijeli orbitalni ciklus traje samo 4,8 sati.
Posebno važan trag stigao je iz novijih opažanja LHAASO-a. Opservatorij je iz smjera Cygnusa X-3 zabilježio promjenjivo gama-zračenje čiji se spektar proteže od približno 0,06 do 3,7 PeV. Jedan petaelektronvolt, PeV, odgovara energiji od 10^15 elektronvolta. Još važnije, zabilježeni signal pokazuje naznake promjena povezanih s orbitalnim periodom sustava. To upućuje na zaključak da čestice dosežu ekstremne energije unutar samog binarnog sustava ili u njegovoj neposrednoj blizini.
Da bi nastale gama-zrake takvih energija, protoni u Cygnusu X-3 morali bi biti ubrzani do nekoliko desetaka PeV-a. Time sustav postaje jedan od najuvjerljivijih poznatih primjera galaktičkog PeVatrona, prirodnog akceleratora sposobnog ubrzavati čestice do petaelektronvoltnih energija.
Čestice napuštaju Cygnus X-3 i putuju stotinama parseka
Novo istraživanje ide korak dalje. Ako Cygnus X-3 može proizvoditi toliko energične protone, što se s njima događa nakon što napuste sustav?
Protoni nose električni naboj pa se kroz magnetska polja Mliječne staze ne kreću pravocrtno. Postupno se raspršuju kroz međuzvjezdani prostor i mogu se udaljiti stotinama parseka od izvora. Kada se sudare s protonima u okolnom plinu, nastaju sekundarne čestice koje se raspadaju i proizvode gama-zrake. Za razliku od nabijenih kozmičkih zraka, gama-zrake putuju gotovo pravocrtno i tako mogu otkriti gdje su se ti sudari dogodili.
Shi i njegovi suradnici modelirali su Cygnus X-3 kao dugotrajan izvor protona. U različitim verzijama modela promatrali su ubrizgavanje čestica tijekom razdoblja od 100.000 do 400.000 godina. Za protone energije oko jednog PeV-a dobili su karakterističan doseg širenja od približno 600 parseka nakon 100.000 godina.
Kada su rezultat usporedili s podacima LHAASO-a, model je uspio dobro reproducirati i količinu gama-zračenja iznad 400 TeV i način na koji njegov intenzitet opada s udaljenošću od središta promatranog područja. Upravo je ta prostorna raspodjela jedan od glavnih argumenata u prilog Cygnusu X-3. Ona odgovara scenariju u kojem jedan kompaktan izvor tijekom dugog razdoblja neprestano izbacuje visokoenergetske čestice u svoju okolinu.
Cygnus X-3 ima dovoljno energije
Problem je udaljenost. Cygnus OB2 nalazi se oko 4.600 svjetlosnih godina od Zemlje, dok je Cygnus X-3 udaljen približno 31.600 svjetlosnih godina. Nova hipoteza zato mora objasniti kako toliko udaljen sustav može proizvesti zračenje koje LHAASO vidi preko tako velikog područja neba.
Prema izračunima autora, energetski zahtjev nije prepreka. Ako je prosječna gustoća okolnog plina blizu vrijednosti korištenih u modelu, Cygnus X-3 trebao bi u ubrzavanje kozmičkih zraka usmjeravati približno jedan do tri posto raspoložive kinetičke snage. To je dovoljno niska vrijednost da cijeli scenarij ostane fizički izvediv.
Ovdje je važno i što model ne mora nužno objasniti sve gama-zračenje u području Labuda. Autori smatraju da bi Cygnus X-3 mogao dominirati na najvišim energijama, iznad približno 400 TeV, dok bi zračenje na nižim energijama i dalje moglo uglavnom potjecati iz Cygnusa OB2 i okolnog područja intenzivnog stvaranja zvijezda.
To bi objasnilo zašto se različiti podaci mogu povezivati s različitim izvorima u istom dijelu neba.
Presudna će biti nova generacija teleskopa
Nova analiza ne dokazuje da Cygnus X-3 proizvodi cijelu opaženu strukturu. LHAASO trenutačno nema dovoljno dobru kutnu razlučivost da bi potpuno razdvojio emisiju povezanu s bližim područjem Cygnus X od zračenja koje bi dolazilo iz mnogo udaljenijeg Cygnusa X-3.
Odgovor bi trebali dati novi instrumenti, među kojima su Cherenkov Telescope Array Observatory, ASTRI Mini-Array i predloženi Large Array of Cherenkov Telescopes. Njihova znatno bolja kutna razlučivost trebala bi pokazati postoji li u najenergetskijem dijelu emisije koncentracija zračenja povezana upravo s položajem Cygnusa X-3.
Cygnus X-3 već je poznat kao izrazito neobičan sustav. Promatranja teleskopom IXPE pokazala su da se iza njegova snažnog rendgenskog sjaja krije kompaktni objekt duboko zaklonjen gustom materijom. Sada se pojavljuje mogućnost da njegov utjecaj nije ograničen na neposrednu okolinu binarnog sustava. Čestice koje je Cygnus X-3 izbacivao tijekom stotina tisuća godina možda su ostavile trag na području svemira velikom stotinama parseka.
