9 stycznia 2021

Mikrokwazary: „nieuchwytne” emitery promieni gamma

Mikrokwazary to układy podwójne w Galaktyce, składające się z gwiazdy i zwartego obiektu (czarnej dziury lub gwiazdy neutronowej), który pochłania materię ze swojego towarzysza, zwykle za pośrednictwem dysku akrecyjnego, https://pl.wikipedia.org/wiki/Dysk_akrecyjny co prowadzi do relatywistycznych dżetów, czyli strumieni cząsteczek poruszających się prawie z prędkością światła. Te dżety, które mogą być strukturami przerywanymi lub trwałymi w zależności od określonego stanu układu, pochodzą z sąsiedztwa zwartego obiektu i mogą rozszerzać się na lata świetlne z dala od układu podwójnego.


Słowo „mikrokwazar” po raz pierwszy zostało użyte w 1992 roku do opisania galaktycznego układu podwójnego 1E1740.7–2942, charakteryzującego się dwustronnymi dżetami emitującymi promieniowanie radiowe. Dżety przypominały relatywistyczne skolimowane odpływy wystrzeliwane przez kwazary (aktywne galaktyki z supermasywnymi czarnymi dziurami w swoich jądrach, które pożerają otaczającą materię), chociaż w tym drugim przypadku potężne dżety osiągają odległości do milionów lat świetlnych. Zatem można powiedzieć, że mikrokwazary, jak sama nazwa wskazuje, są małym rodzeństwem kwazarów, mającymi wiele podobieństw. Jedną z zalet badania mikrokwazarów jest to, że biorąc pod uwagę ich mniejszy rozmiar, procesy wewnątrz układu i dżety zdarzają się w krótszym czasie, co pozwala naukowcom analizować szybkie zmienności w ich emisji.

Odpływy mikrokwazarów są wydajnymi miejscami ekstremalnego przyspieszenia cząstek i są odpowiedzialne za przejściowe i trwałe promieniowanie nietermiczne, rozciągające się od energii radiowej po energię promieniowania gamma. Niemniej jednak emisja energii GeV i TeV z mikrokwazarów była do tej pory obserwowana tylko sporadycznie, co czyni te układy klasą emiterów nietermicznych, które w rzeczywistości są „nieuchwytne” w zakresie energii promieniowania gamma. Dzięki lepszej czułości w porównaniu z obecnymi instrumentami wykorzystującymi promieniowanie gamma, CTA będzie miał fundamentalne znaczenie w badaniu tych układów i procesów fizycznych zachodzących w dżetach. W ciągu ostatnich kilku lat szczególną uwagę zwracały dwa mikrokwazary: SS 433 i Cygnus X-1

Długotrwałe obserwacje SS 443 przy pomocy obserwatorium High Altitude Water Cherenkov (HAWC) pozwoliły rozdzielić dwa płaty o energiach ~20 TeV związane z końcowymi częściami jego dżetów, gdzie relatywistyczne odpływy oddziałują z otaczającym środowiskiem. Zdaniem autorów pracy, aby wytworzyć taki teraelektronowoltowy (TeV) sygnał, układ musi przyspieszać cząstki do energii petaelektronowoltów (PeV) wzdłuż dżetów. Wciąż pozostają pewne tajemnice: do jakiej maksymalnej energii przyspieszane są cząsteczki w dżetach? Czy emisja promieniowania gamma występuje w pobliżu lub wnętrzu układu podwójnego? Jakie są dokładne miejsca i mechanizmy przyspieszania? Doskonała rozdzielczość kątowa CTA będzie odgrywać kluczową rolę w odpowiedzi na te pytania.

W regionie Łabędzia (Cygnus) zaobserwowano trzy mikrokwazary powyżej 50 MeV: Cygnus X-1, Cygnus X-3 i V404 Cygni. Przypadek Cygnus X-1 jest intrygujący. Przy energiach GeV, została wykryta krótkotrwała emisja przejściowa i stała emisja pochodząca z dżetów, podczas gdy przy energiach TeV MAGIC odnotował jedynie wskazówkę podczas krótkiego, twardego promieniowania rentgenowskiego. Dlatego, chociaż teoretycznie przewidywano, nie wykryto jeszcze wyraźnego komponentu TeV. Zgodnie z ostatnimi symulacjami, macierz CTA-North wykryłaby krótkotrwałe zdarzenie przejściowe, podobne do wskazówki zgłoszonej przez MAGIC, w zaledwie kilka minut, i byłaby w stanie scharakteryzować stałą emisję TeV z dżetu za pomocą zestawu długookresowych obserwacji.

Dzięki CTA naukowcy spodziewają się uchwycić czas ewentualnego rozbłysku TeV w kontekście wielu długości fal, maksymalnego limitu przyspieszenia wzdłuż dżetów, charakteru mechanizmów emisji odpowiedzialnych za bardzo wysokoenergetyczne promieniowanie gamma i więcej. Szczególnie wysoka czułość CTA w zakresie od 20 GeV do 300 TeV pozwoli zagłębić się w te źródła jak nigdy dotąd: przy najniższych energiach naukowcy będą w stanie zrozumieć mechanizmy fizyczne zachodzące między składową promieniowania gamma GeV i TeV (np. Cygnus X-1) i przy najwyższych energiach będą w stanie otworzyć nowe okno na najwyższym końcu widma elektromagnetycznego, aby zbadać oddziaływania pośredniego dżetu (np. w SS 443). Dzięki ulepszonej rozdzielczości CTA, niższemu progowi energetycznemu i szybkiemu przestawieniu teleskopu w celu reagowania na zewnętrzne wyzwalacze zdarzeń przejściowych, lepsze zrozumienie fizyki ekstremalnego przyspieszenia cząstek w mikrokwazarach będzie wreszcie w ich zasięgu.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Magnetyczna „autostrada” wyprowadza materię z galaktyki Cygaro

Co napędza masywne wyrzuty gazu i pyłu z galaktyki Cygaro, znanej również jako Messier 82? Wiemy, że tysiące powstających gwiazd napędza pot...