Nowe odkrycia w astronomii wskazują, że źródła promieniowania kosmicznego o wyjątkowo dużych energiach nie ograniczają się wyłącznie do odległych galaktyk i ich aktywnych jąder. Z danych zebranych przez obserwatorium HAWC wynika, że fotony gamma o ekstremalnych energiach mogą być emitowane także przez obiekty znajdujące się wewnątrz naszej własnej galaktyki, Drogi Mlecznej.
Promieniowanie kosmiczne o ultraenergetycznym charakterze przez długi czas było kojarzone głównie z odległymi kwazarami, czyli aktywnymi jądrami galaktyk, znajdującymi się setki milionów lat świetlnych od Ziemi. Jednak najnowsze badania przeprowadzone przez międzynarodowy zespół, w tym naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, wskazują, że podobne zjawiska mogą zachodzić znacznie bliżej, w ramach naszej galaktyki. Mowa tu o mikrokwazarach — kompaktowych układach podwójnych, które emitują strugi materii w postaci dżetów, generując przy tym fotony o niebywale wysokich energiach.
Od chwili odkrycia promieniowania kosmicznego przez Victora Hessa w 1912 roku, astronomowie byli przekonani, że wewnątrz Drogi Mlecznej jedynymi źródłami fotonów o wysokich energiach są pozostałości po wybuchach supernowych. Najnowsze dane z obserwatorium HAWC znacząco zmieniają ten obraz. Wskazują, że również mikrokwazary, które są znacznie mniejsze i bliższe od kwazarów, mogą być odpowiedzialne za emisję promieniowania kosmicznego o takich energiach. Odkrycie to otwiera nowe perspektywy w badaniach nad źródłami i mechanizmami powstawania promieniowania kosmicznego.
HAWC, czyli High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory, znajduje się na zboczu meksykańskiego wulkanu Sierra Negra. Jego głównym zadaniem jest rejestrowanie cząstek i fotonów o szczególnie dużych energiach, które docierają do Ziemi z kosmosu. Instalacja składa się z 300 zbiorników wypełnionych wodą, w których za pomocą fotopowielaczy rejestrowane są błyski promieniowania Czerenkowa. Zjawisko to występuje, kiedy cząstki poruszają się w wodzie szybciej niż światło w tym medium, co pozwala na dokładne śledzenie kosmicznego promieniowania gamma, o energiach sięgających nawet setek teraelektronowoltów (TeV).
Dotychczas zakładano, że tak potężne promieniowanie gamma pochodzi głównie z kwazarów — gigantycznych czarnych dziur znajdujących się w centrach odległych galaktyk. Supermasywne czarne dziury przyciągają materię z otaczających dysków akrecyjnych, a w wyniku tego procesu powstają dżety, w których fotony osiągają ekstremalne energie. Znajdujące się w odległości setek milionów lat świetlnych od Ziemi, kwazary od dawna były uważane za główne źródła takiego promieniowania.
Jednak najnowsze badania obserwatorium HAWC pokazują, że znacznie bliższe obiekty, takie jak mikrokwazary, mogą emitować fotony o energiach podobnych do tych pochodzących z kwazarów. Mikrokwazary to układy podwójne, w których jedna z gwiazd jest masywną gwiazdą, a druga to czarna dziura. Czarna dziura ściąga materię ze swojego towarzysza, co prowadzi do emisji dżetów o długościach sięgających setek lat świetlnych. W Drodze Mlecznej odkryto już kilkadziesiąt takich obiektów, co sugeruje, że są one znacznie bardziej powszechne, niż wcześniej przypuszczano.
Jednym z najbardziej intrygujących odkryć jest mikrokwazar V4641 Sagittarii, znajdujący się w gwiazdozbiorze Strzelca, około 20 tysięcy lat świetlnych od Ziemi. To właśnie ten obiekt, jak wykazały obserwacje HAWC, emituje fotony gamma o energiach przekraczających 200 teraelektronowoltów, co czyni go jednym z najpotężniejszych źródeł promieniowania kosmicznego wewnątrz naszej galaktyki. Układ ten składa się z czarnej dziury o masie sześciu mas Słońca i masywnej gwiazdy o masie trzykrotnie większej od masy naszej gwiazdy. Szczególnie interesujące jest to, że jeden z dżetów emitowanych przez V4641 Sagittarii jest skierowany bezpośrednio w stronę Układu Słonecznego, co z perspektywy ziemskiego obserwatora sprawia wrażenie, że porusza się on z prędkością większą od prędkości światła.
Odkrycie V4641 Sagittarii nie jest jednak odosobnionym przypadkiem. Kolejnym mikrokwazarem emitującym fotony o ekstremalnych energiach jest obiekt wykryty przez obserwatorium LHAASO. To sugeruje, że mikrokwazary mogą odgrywać znacznie większą rolę w generowaniu promieniowania kosmicznego niż dotychczas sądzono. Jak zauważa dr hab. Sabrina Casanova z IFJ PAN, badania te mogą wskazywać na istnienie licznych mikrokwazarów emitujących fotony gamma o najwyższych energiach w naszej galaktyce.
Odkrycia te mają kluczowe znaczenie nie tylko dla badaczy zajmujących się kosmicznym promieniowaniem gamma. Pokazują one, że mechanizmy generujące dżety i fotony o ekstremalnych energiach nie muszą być ograniczone do odległych galaktyk, ale mogą zachodzić także w znacznie bliższej przestrzeni kosmicznej. Dzięki temu, naukowcy mają teraz możliwość prowadzenia szczegółowych badań tych procesów w czasie rzeczywistym, nie ograniczając się do obiektów oddalonych o setki milionów lat świetlnych.
Obserwacje mikrokwazarów mogą także dostarczyć nowych informacji na temat ewolucji galaktyk i innych procesów kosmicznych. Fotony emitowane przez te obiekty nie muszą przebywać ogromnych odległości, aby dotrzeć do Ziemi, co oznacza, że mają znacznie większą szansę dotarcia w nienaruszonym stanie. Pozwoli to astrofizykom na prowadzenie bardziej precyzyjnych badań i lepsze zrozumienie zjawisk związanych z promieniowaniem kosmicznym.
Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie odgrywa kluczową rolę w badaniach nad promieniowaniem kosmicznym i mikrokwazarami. Instytut ten od lat prowadzi badania podstawowe i aplikacyjne w obszarze fizyki oraz nauk pokrewnych, a jego osiągnięcia są rokrocznie publikowane w setkach wysoko punktowanych czasopism naukowych. Odkrycia dotyczące mikrokwazarów są kolejnym dowodem na to, że polscy naukowcy odgrywają kluczową rolę w światowych badaniach nad strukturą i ewolucją kosmosu.
