HAWC: Czy fotony o ekstremalnych energiach pochodzą z największego akceleratora galaktyki?

W bezmiarze naszej galaktyki astrofizycy od lat tropią pevatrony, naturalne akceleratory cząstek o monstrualnych energiach. Dzięki obserwatorium promieniowania kosmicznego HAWC właśnie natrafiono na kolejny prawdopodobny ślad ich istnienia. Szczególnie istotny jest fakt, że tym razem wysokoenergetyczne fotony udało się nie tylko zarejestrować, ale i ustalić prawdopodobne miejsce ich pochodzenia.

Wiemy, że istnieją, nie wiemy, gdzie dokładnie się znajdują i jak wyglądają. Pevatrony – bo o nich tu mowa – to największe naturalne akceleratory cząstek w naszej galaktyce, zdolne przyspieszać protony i elektrony do energii nawet biliardy razy większej od energii fotonów światła widzialnego. Problem z wykryciem pevatronów wynika z faktu, że przyspieszane przez nie cząstki niosą ładunek elektryczny, są więc odchylane przez pola magnetyczne w galaktyce. Odkrycie, którego właśnie dokonano dzięki danym zebranym przez obserwatorium HAWC (High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory), w istotnym stopniu przybliża nas do znalezienia pierwszego kosmicznego pevatronu i zrozumienia jego natury.

Obserwatorium HAWC znajduje się na zboczu wulkanu Sierra Negra w Meksyku, na wysokości 4100 m n.p.m. Składa się z 300 zbiorników z wodą, z których każdy jest otoczony czułymi fotopowielaczami. Gdy do wnętrza jakiegoś zbiornika wpada cząstka wtórnego promieniowania kosmicznego poruszająca się z prędkością większą od prędkości światła w wodzie, pojawia się elektromagnetyczny "grzmot" – słaby błysk promieniowania (Czerenkowa), wykrywany i wzmacniany przez fotopowielacze. Uważna analiza błysków zaobserwowanych w tym samym czasie w poszczególnych zbiornikach pozwala wydobyć informację o rodzaju, energii i kierunku cząstki pierwotnego promieniowania kosmicznego, która zainicjowała zarejestrowaną kaskadę cząstek wtórnych.

Na podstawie danych zebranych przez HAWC udało się nam ustalić źródło fotonów o energiach około 200 teraelektronowoltów. Jak na fotony to wartość wręcz ekstremalna, sto bilionów razy większa od energii typowej dla fotonów dostrzeganych przez nasze oczy - mówi dr hab. Sabrina Casanova z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. Razem z dr. Franciskiem Salesa Greusem (IFJ PAN & IFIC) i doktorantem Dezhim Huangiem z Michigan Technological University w Houghton (USA) jest ona jednym z głównych autorów analizy opublikowanej na łamach znakomitego czasopisma astronomicznego The Astrophysical Journal Letters.

W stosunku do protonów i elektronów, fotony mają przyjemną cechę: ignorują pola magnetyczne i biegną do celu po najkrótszej drodze, na jaką pozwala czasoprzestrzeń. Zatem gdy w obrębie galaktyki zidentyfikuje się kierunek, z którego nadlatują fotony, zwykle można ustalić ich źródło. Nie jest to zadanie łatwe, lecz w tym przypadku się udało. Źródłem fotonów 200 TeV okazały się okolice niedawno odkrytego pulsara eHWC J1825-134, widocznego na półkuli południowej w tle gwiazdozbioru Żagla, a leżącego w odległości około 13 tysięcy lat świetlnych od Ziemi.

Obserwacje tak wysokoenergetycznych fotonów zdarzają się rzadko, jeszcze rzadziej udaje się ustalić źródło. Rekord należy obecnie do fotonów o energii 450 TeV, wykrytych za pomocą chińsko-japońskiego detektora ASgamma w Tybecie. W tamtym przypadku fotony nadlatywały z okolicy pulsara w słynnej mgławicy Krab w tle gwiazdozbioru Byka.

Obecnie znamy dwa mechanizmy mogące tłumaczyć istnienie fotonów o energiach 200 TeV i większych - tłumaczy dr Salesa Greus, po czym precyzuje: Zgodnie z pierwszym, źródłem tak energetycznych fotonów mogłyby być elektrony o nieco większych energiach, emitowane przez pozostałości supernowych czy pulsary i następnie oddziałujące z wypełniającym Wszechświat mikrofalowym promieniowaniem tła. Ten przypadek wydaje się pasować do mgławicy Krab. Drugi wariant przebiegu wydarzeń zakłada, że fotony rodzą się wskutek oddziaływania protonów wyemitowanych przez pulsar z materią w przestrzeni międzygwiazdowej. Co szczególnie interesujące, w tym scenariuszu energie protonów muszą być przynajmniej rząd wielkości większe od energii obserwowanych fotonów!

Rejon pulsara eHWC J1825-134 to złożona struktura astronomiczna, w jej obrębie znajduje się kilka źródeł wysokoenergetycznego promieniowania gamma. Badaczom z HAWC udało się ustalić, że miejscem pochodzenia fotonów o energii 200 TeV nie był sam pulsar, lecz nieznane wcześniej źródło: leżący w pobliżu obłok materii międzygwiazdowej. Otacza on młodą, liczącą mniej więcej milion lat, gromadę gwiazd, oznaczoną jako [BDS2003] 8. Zaobserwowane fotony mogły więc być wyemitowane przez protony pochodzące z pulsara eHWC J1825-134, które w obrębie gromady gwiezdnej [BDS2003] 8 miały dostatecznie dużo czasu, by rozpędzić się w tutejszych polach magnetycznych do energii rzędu kilku petaelektronowoltów i w interakcjach z materią obłoku wyprodukować odpowiednio energetyczne fotony. Jeśli ten wariant przebiegu wydarzeń zostanie potwierdzony w kolejnych obserwacjach, mielibyśmy do czynienia z największym pevatronem zidentyfikowanym w naszej galaktyce.

Na razie mamy zbyt mało danych, by jednoznacznie rozstrzygnąć o naturze kosmicznego akceleratora odpowiedzialnego za powstawanie fotonów 200 TeV w rejonie eHWC J1825-134. Jeśli jednak gdzieś kryje się jakiś galaktyczny pevatron, nam udało się znaleźć naprawdę wyśmienitego kandydata - zauważa dr Casanova.

Badania naukowców z IFJ PAN sfinansowano z grantu Narodowego Centrum Nauki.

pevatrony fotony ekstremalne energie HAWC Sabrina Casanova