U smjeru zviježđa Orla, nedaleko od Altaira, nalazi se golemo područje iz kojeg stižu gama-zrake iznimno visokih energija. Astronomi su godinama znali da izvor označen kao LHAASO J1912+1014u proizvodi zračenje iznad 100 TeV. Nisu, međutim, mogli pouzdano utvrditi stvaraju li ga ubrzani protoni ili elektroni.
Nova analiza snažno upućuje na protone. LHAASO J1912+1014u pripadao bi tako malobrojnoj skupini prirodnih akceleratora koji protone mogu ubrzati do najmanje 10¹⁵ elektronvolta, odnosno 1 PeV. To je više od stotinu puta veća energija od one koju pojedinačni proton doseže u Velikom hadronskom sudarivaču.
U istraživanju objavljenom u časopisu The Astrophysical Journal međunarodni tim povezao je opažanja nekoliko teleskopa koji isti dio neba promatraju na različitim valnim duljinama. Presudnima su se pokazali podaci svemirskog teleskopa Fermi, radioteleskopa Nobeyama i rendgenskog opservatorija Chandra.
Gama-zrake pokazuju odakle dolaze čestice
Kozmičke zrake uglavnom čine protoni i druge električki nabijene čestice koje svemirom putuju gotovo brzinom svjetlosti. Galaktička magnetska polja neprestano mijenjaju njihov smjer, pa se iz putanje čestice zabilježene na Zemlji najčešće ne može zaključiti gdje je nastala.
Zbog toga je teško pronaći izvore kozmičkih zraka. Problem je posebno izražen kod rijetkih čestica ekstremnih energija, poput čestice Amaterasu, čije podrijetlo još nije poznato.
Gama-zrake nemaju električni naboj i kroz svemir putuju gotovo pravocrtno. Astronomi stoga mogu utvrditi iz kojeg dijela neba stižu i povezati ih s mogućim izvorom kozmičkih čestica.
Kada proton velike energije udari u jezgru atoma međuzvjezdanog plina, nastaju nestabilne čestice čiji raspad proizvodi gama-zrake. Otkrivanje gama-zračenja iz nekog područja zato može upućivati na ubrzavanje protona. Problem je u tome što gama-zrake mogu proizvesti i vrlo energični elektroni, pa samo njihovo otkrivanje nije dovoljno za siguran zaključak.
Fermi je otkrio zračenje koje se poklapa s rasporedom plina
LHAASO je iz područja izvora J1912+1014u već zabilježio gama-zrake s energijama većima od 100 TeV. Takvo zračenje pokazalo je da se ondje nalazi iznimno snažan prirodni akcelerator, ali nije otkrilo koju vrstu čestica ubrzava.
Istraživači su zato analizirali 15 godina opažanja teleskopa Fermi, u rasponu energija od 0,4 do 409,6 GeV. Nakon što su preciznije modelirali pozadinsko gama-zračenje Mliječne staze, uočili su jasan višak zračenja koji se prostorno podudara s izvorom koji su ranije promatrali LHAASO i opservatorij H.E.S.S.
Raspored tog zračenja zatim su usporedili s kartama molekularnog plina iz projekta FUGIN, izrađenima opažanjima 45-metarskog radioteleskopa Nobeyama. Gama-zračenje dobro se poklapa s područjima u kojima je koncentriran međuzvjezdani plin.
Takav raspored očekuje se ako protoni napuštaju mjesto na kojem su ubrzani, ulaze u okolne oblake plina i sudaraju se s atomskim jezgrama. Plin tada postaje svojevrsna meta na kojoj nastaju gama-zrake.
Elektroni ne objašnjavaju sva opažanja
Model u kojem gama-zračenje stvaraju elektroni u početku također može opisati dio izmjerenog spektra. No vrlo energični elektroni brzo gube energiju, osobito stvaranjem rendgenskog i gama-zračenja. Zbog toga bi njihov očekivani energetski raspon teško mogao objasniti cijeli signal, od Fermijevih mjerenja do gama-zraka iznad 100 TeV.
Dodatno ograničenje pružila je Chandra. U promatranom području nije otkrila snažno rasprostranjeno rendgensko zračenje koje bi se očekivalo kada bi glavninu gama-zraka proizvodili elektroni. To ne znači da elektrona ondje nema, nego da oni teško mogu biti odgovorni za cjelokupno opaženo zračenje.
Chandra u drugim ostacima eksplodiranih zvijezda jasno otkriva strukture nastale djelovanjem visokoenergetskih čestica, kao što pokazuju opažanja ostatka supernove G292.0+1.8. Kod izvora LHAASO J1912+1014u izostanak očekivanoga rendgenskog sjaja dodatno ide u prilog protonima.
Kombinacija triju rezultata daje najčvršći argument: gama-zračenje proteže se kroz vrlo širok energetski raspon, njegov se položaj poklapa s rasporedom međuzvjezdanog plina, a rendgensko zračenje preslabo je za uvjerljivo objašnjenje elektronima.
Što se nalazi u središtu izvora još nije poznato
Iako su istraživači utvrdili koja se vrsta čestica najvjerojatnije ubrzava, još nije jasno koji objekt protonima daje toliku energiju.
Jedna je mogućnost ostatak supernove, područje plina i materijala koje se širi nakon eksplozije masivne zvijezde. Udarni valovi takvih eksplozija desetljećima se smatraju jednim od glavnih mogućih izvora galaktičkih kozmičkih zraka. Njihovo otkrivanje ipak nije jednostavno, osobito u dijelovima Mliječne staze prepunima plina i drugih izvora zračenja. To pokazuje i mogući ostatak supernove nedavno uočen blizu galaktičkog središta.
Druga je mogućnost maglica koju napaja pulsar, brzo rotirajuća neutronska zvijezda nastala nakon eksplozije. Unutar područja koje obuhvaća LHAASO J1912+1014u nalazi se pulsar PSR J1913+1011, pa njegova moguća povezanost s izvorom još nije isključena. Pulsari mogu stvarati velike tokove čestica, a njihovo zračenje može nastajati daleko od same površine neutronske zvijezde.
Nova studija stoga ne daje konačan odgovor na pitanje je li izvor ostatak supernove, pulsarska maglica ili složen sustav u kojem sudjeluje više objekata. Njezin je glavni zaključak da opaženo gama-zračenje najvećim dijelom nastaje djelovanjem protona.
U protonima je pohranjena golema energija
Istraživači procjenjuju da ukupna energija protona iznad 1 GeV iznosi između 1 i 5 × 10⁴⁹ erga. Raspon ovisi o udaljenosti izvora i o tome s kojom je skupinom oblaka međuzvjezdanog plina povezan.
Određivanje udaljenosti važno je jer izravno utječe na procjenu stvarne snage izvora. Različiti oblaci plina duž istog smjera promatranja mogu izgledati kao da pripadaju istoj strukturi, iako se nalaze na različitim udaljenostima.
Dodatna radioopažanja, preciznije karte plina i osjetljivija rendgenska mjerenja mogla bi pokazati koji je objekt pokrenuo ubrzavanje protona i kako su se čestice proširile njegovom okolinom.
Nova metoda za potragu za galaktičkim akceleratorima
LHAASO je otkrio više desetaka izvora gama-zraka iznimno visokih energija. Za mnoge od njih još nije poznato ubrzavaju li ponajprije protone ili elektrone. Nova analiza pokazuje kako se ta dvojba može riješiti povezivanjem gama-zračenja s rasporedom plina i ograničenjima dobivenima iz rendgenskih opažanja.
Takav je pristup osobito važan u galaktičkoj ravnini, gdje se brojni izvori preklapaju i teško izdvajaju iz pozadine. Koliko slabi mogu biti tragovi starih eksplozija pokazuje i nedavno potvrđen iznimno slab radijski ostatak supernove Abeona.
Kod izvora LHAASO J1912+1014u više ne postoji samo dokaz da se u tom području čestice ubrzavaju do ekstremnih energija. Raspored gama-zračenja, prisutnost plina i slabo rendgensko zračenje zajedno pokazuju da su te čestice najvjerojatnije protoni. Time je pronađen jedan od dugo traženih prirodnih akceleratora koji oblikuju populaciju kozmičkih zraka u Mliječnoj stazi.