W centrum naszej Galaktyki odkryto źródło przyspieszające cząstki promieniowania kosmicznego do niespotykanej energii. Szczegółową analizę badań, w których brali także udział naukowcy z UJ, publikuje czasopismo „Nature".

Więcej o nauce?! Dołącz do profilu strony. www NAUKA.uj.edu.pl na Facebooku 

Od ponad dziesięciu lat Obserwatorium H.E.S.S. w Namibii prowadzi obserwacje centrum naszej Galaktyki, skupiając się w swych badaniach na promieniach gamma bardzo wysokich energii. Badania te koordynowane są w ramach międzynarodowej współpracy 42 instytucji (w skład, których wchodzi też Uniwersytet Jagielloński) z 12 krajów. Opublikowane 16. marca 2016 roku w czasopiśmie „Nature" wyniki, ujawniają po raz pierwszy źródło tego kosmicznego promieniowania: masywną czarną dziurę w centrum naszej Galaktyki (a właściwie procesy zachodzące w bliskim otoczeniu tej czarnej dziury). Pokazano, że może ona przyspieszać cząstki promieniowania kosmicznego do olbrzymich energii - nawet sto razy większych niż te osiągnięte w największym naziemnym akceleratorze cząstek LHC w CERN pod Genewą.

„Kosmiczne fabryki promieniowania"

Ziemia jest stale bombardowana przez wysokoenergetyczne cząstki (protony, elektrony i jądra atomowe) z kosmosu, tak zwane promieniowanie kosmiczne. "To promieniowanie naładowanych elektrycznie cząstek jest mocno odchylane przez międzygwiazdowe pola magnetyczne przenikające naszą Galaktykę. Z tego powodu drogi cząstek promieniowania kosmicznego są przypadkowo modyfikowane, co uniemożliwia bezpośrednią identyfikację źródeł astrofizycznych odpowiedzialnych za ich powstawanie. W rezultacie pochodzenie promieni kosmicznych jest od stu lat jedną z najgłębszych tajemnic nauki" - wyjaśnia prof. Michał Ostrowski z Obserwatorium Astronomicznego UJ.

Na szczęście, promienie kosmiczne oddziałują ze światłem i otaczającą materią w miejscu gdzie powstają, wytwarzając promieniowanie gamma. Fotony tego promieniowania przemieszczają się od swoich źródeł do obserwatora na Ziemi po liniach prostych – nie ma na nie wpływu pole magnetyczne. Zatem, na podstawie ich obserwacji można zidentyfikować kosmiczne źródła cząstek, odpowiedzialne za powstawanie promieniowania kosmicznego.

Bardzo interesująca jest sama technika obserwacji promieniowania gamma. Gdy taki promień (foton) o bardzo wysokiej energii dociera do Ziemi, oddziałuje z cząsteczką w górnych warstwach atmosfery tworząc kaskadę cząstek wtórnych, które emitują krótki impuls tak zwanego „światła Czerenkowa". Rejestrując te błyski światła przy użyciu teleskopów wyposażonych w duże zwierciadła, czułe detektory i wysokiej sprawności elektronikę, w ciągu ostatnich lat  udało się zidentyfikować ponad 100 źródeł promieniowania gamma o bardzo wysokiej energii. Jednym z głównych instrumentów w takich badaniach jest Obserwatorium H.E.S.S. (skrót od "High Energy Stereoscopic System") w Namibii.

Z prowadzonych w ostatnich latach badań wiadomo, że promienie kosmiczne o energiach sięgających 100 teraelektronowoltów (TeV – 1 TeV odpowiada energii milion razy większej od energii promieniowania gamma z wybuchu jądrowego) są produkowane w naszej Galaktyce przez obiekty takie jak pozostałości po supernowych czy mgławice pulsarowe. Niektóre argumenty teoretyczne jak i bezpośredni pomiar promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi wskazują jednak, że kosmiczne "fabryki" promieniowania kosmicznego w naszej Galaktyce powinny być w stanie przyspieszyć cząstki do energii co najmniej jednego petaelektronowolta (PeV, 1PeV = 1000 TeV). Choć w minionych latach odkryto wiele kosmicznych akceleratorów o energiach rzędu kilku TeV, do tej pory poszukiwania galaktycznych źródeł promieniowania kosmicznego najwyższych energii nie przynosiły wyników.

Pevatrony

Gdzieś w środkowym obszarze naszej Galaktyki o promieniu około 30 lat świetlnych znajduje się źródło zdolne do przyspieszania protonów do energii około petaelektronowolta. Tak dzieje się nieprzerwanie od co najmniej 1000 lat.

Do przełomu doprowadziły obserwacje centrum naszej Galaktyki, wykonane przez Obserwatorium H.E.S.S. w ciągu ostatnich dziesięciu lat. W ciągu pierwszych trzech lat obserwacji odkryto bardzo mocne źródło promieniowania gamma w centrum Galaktyki, a wokół niego rozproszoną emisję promieniowania gamma z olbrzymich obłoków molekularnych, rozłożonych w promieniu około 500 lat świetlnych wokół centrum. Te obłoki molekularne są bombardowane przez cząstki promieniowania kosmicznego i wytwarzają promieniowanie gamma w wyniku oddziaływania tych cząstek z materią obłoków. Zadziwiająca jest zgodność pomiędzy gęstością materii w obłokach a obserwowanym miejscem emisji promieniowania gamma,  co wskazuje na obecność akceleratora (lub akceleratorów)  promieni kosmicznych w tym regionie.

Kolejna analiza szczegółowych obserwacji wykonanych przez obserwatorium H.E.S.S. w latach 2004- 2013 rzuca nowe światło na procesy tworzenia promieni kosmicznych w tym regionie. „Gdzieś w środkowym obszarze naszej Galaktyki o promieniu około 30 lat świetlnych znajduje się źródło zdolne do przyspieszania protonów do energii około petaelektronowolta. Tak dzieje się nieprzerwanie od co najmniej 1000 lat", mówi Emmanuel Moulin z centrum badań nuklearnych – CEA Saclay. W sposób analogiczny do "Tevatronu", pierwszego akceleratora zbudowanego przez człowieka, który osiągnął energię 1 teraelektronowolta (TeV), ta nowa klasa kosmicznych przyspieszaczy cząstek została nazwana „Pevatronami".

W centrum naszej Galaktyki znajduje się wiele obiektów zdolnych do wytwarzania promieniowania kosmicznego o wysokiej energii, w tym: pozostałość supernowej, mgławica pulsarowa, czy zwarta gromada masywnych gwiazd, lecz to „supermasywna czarna dziura znajdująca się w centrum Galaktyki, oznaczana skrótem Sgr A*, jest najbardziej prawdopodobnym źródłem protonów PeV", mówi Felix Aharonian (Max Planck Institute for Nuclear Physics w Heidelbergu i Dublin Institute for Advanced Studies), dodając, że „możemy brać pod uwagę kilka potencjalnych obszarów przyspieszenia cząstek, zarówno w bezpośrednim sąsiedztwie czarnej dziury, ale i dalej, gdzie część materiału spadającego na czarną dziurę jest wyrzucana do otoczenia, co może inicjować przyspieszenie cząstek".

Jeżeli nasza centralna czarna dziura była bardziej aktywna w przeszłości, argumentują naukowcy, to w istocie mogłaby być odpowiedzialna za większość dzisiejszych galaktycznych promieni kosmicznych obserwowanych na Ziemi. Obecne wyniki oznaczają ogromny postęp w trwającej od wieku debacie o pochodzeniu tych tajemniczych cząstek. Możemy się spodziewać że dalsze dokładniejsze pomiary pozwolą na ich szczegółową weryfikację, a rezultaty prac Obserwatorium H.E.S.S. jak i uruchamianego po 2020 roku Obserwatorium "Cherenkov Telescope Array" (CTA), doprowadzą do podania większej ilości szczegółów uzupełniających dzisiejszą wiedzę.

Badacze z naszego kraju mają znaczący udział w badaniach Obserwatorium H.E.S.S., które zostało zbudowane z polskim udziałem. Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie pełni rolę koordynatora tego projektu w Polsce, a w skład polskiego konsorcjum wchodzą ponadto: Uniwersytet Jagielloński w Krakowie, Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego PAN w Krakowie, Uniwersytet Warszawski i Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu.