Astrofizik jet ‘hız tuzağına’ yakalandı

Bilimkurgu yazarı Arthur C. Clarke, 1997’de bir BBC televizyon dizisinde dünyanın kendi yedi harikasını seçmişti. Eklediği tek astronomik nesne SS 433’tü. X-ışını emisyonu nedeniyle 1970’lerin sonlarında zaten ilgi çekmişti. ve daha sonra, bu suda yaşayan memelilere benzeyen benzersiz şekli nedeniyle deniz ayısı bulutsusu olarak adlandırılan bir gaz bulutsusunun merkezinde olduğu keşfedildi.

SS 433, Güneş’in yaklaşık on katı kütleye sahip bir kara deliğin ve benzer kütleye sahip ancak çok daha büyük bir hacim kaplayan bir yıldızın, 13 günlük bir periyotla birbirlerinin yörüngesinde döndüğü ikili bir yıldız sistemidir.

Kara deliğin yoğun çekim alanı, yıldızın yüzeyinden malzeme koparır ve bu malzeme, kara deliği besleyen sıcak gaz diskinde birikir. Madde kara deliğe doğru düştüğünde, disk düzlemine dik olarak ışık hızının dörtte biri hızla iki paralel yüklü parçacık jeti (plazma) fırlatılır.

SS433 jetleri, görülemeyecek kadar sönükleşmeden önce, merkezi ikili yıldızın her iki tarafında bir ışık yılından daha kısa bir mesafeye kadar olan radyo-X-ışını aralıklarında tespit edilebilmektedir. Ancak şaşırtıcı bir şekilde, fırlatma alanlarından yaklaşık 75 ışıkyılı uzaklıkta jetlerin aniden parlak X-ışını kaynakları olarak yeniden ortaya çıktığı görülüyor. Bu yeniden ortaya çıkışın nedenleri uzun süredir tam olarak anlaşılamamıştır.

Aktif galaksilerin (örneğin kuasarlar) merkezlerinden de benzer göreceli jetlerin yayıldığı gözlemlenmektedir, ancak bu jetler boyut olarak SS 433’ün galaktik jetlerinden çok daha büyüktür. Bu benzetme nedeniyle SS 433 gibi nesneler mikrokuasar olarak sınıflandırılır.

Yakın zamana kadar bir mikrokuasardan hiçbir gama ışını emisyonu tespit edilmemişti. Ancak 2018 yılında, Yüksek İrtifa Su Çerenkov Gama Işını Gözlemevi (HAWC), SS 433 jetlerinden gelen çok yüksek enerjili gama ışınlarını ilk kez tespit etmeyi başardığında bu durum değişti. Bu, jet parçacıklarının bir yerinde olduğu anlamına geliyor. aşırı enerjilere doğru hızlandırılır.

Onlarca yıl süren araştırmalara rağmen, astrofizik jetlerde parçacıkların nasıl ve nerede hızlandırıldığı hala belirsiz.

Mikrokuasarlardan gama ışını emisyonunun incelenmesi çok önemli bir avantaj sağlıyor: SS 433’ün jetleri en yakın aktif galaksinin (Centaurus A) jetlerinden 50 kat daha küçükken, SS 433 Samanyolu’nun içinde Dünya’ya bin kat daha yakın bulunuyor. . Sonuç olarak, SS 433’ün gökyüzündeki jetlerinin görünür boyutu çok daha büyüktür ve dolayısıyla bunların özelliklerinin mevcut nesil gama ışını teleskoplarıyla incelenmesi daha kolaydır.

SS 433’ün üç farklı gama ışını enerji aralığını gösteren kompozit görüntüleri. Yeşil renkte, radyo gözlemleri Manatee Bulutsusu’nu, mikrokuasarın görüntünün merkezine yakın parlak bir nokta olarak görülebildiği şekilde gösteriyor. Kesintisiz çizgiler, merkezi bölgelerden gelen X-ışını emisyonunun ana hatlarını ve yeniden ortaya çıktıktan sonraki büyük ölçekli jetleri göstermektedir. Kırmızı renkler, HESS tarafından a) düşük (0,8–2,5 TeV, sol), b) orta (2,5–10 TeV, orta) ve c) yüksek (>10 TeV, sağ) enerjilerde tespit edilen gama ışını emisyonunu temsil eder. Gama ışını emisyonunun konumu, enerji azaldıkça merkezi fırlatma alanından daha da kayar. Katkı Sağlayan: Arka Plan: NRAO/AUI/NSF, K. Golap, M. Goss; NASA’nın Geniş Alan Araştırma Araştırmacısı (WISE); Röntgen (yeşil çizgiler): ROSAT/M. Brinkmann; TeV (kırmızı renkler): HESS işbirliği.

HAWC tespitinin ardından HESS Gözlemevi, SS 433 sistemine yönelik bir gözlem kampanyası başlattı. Bu kampanya, yaklaşık 200 saatlik veriyle ve SS 433 jetlerinden gama ışını emisyonunun net bir şekilde tespit edilmesiyle sonuçlandı.

HESS teleskoplarının daha önceki ölçümlerle karşılaştırıldığında üstün açısal çözünürlüğü, araştırmacıların jetlerdeki gama ışını emisyonunun kökenini ilk kez belirlemesine olanak tanıdı ve ilgi çekici sonuçlar elde edildi:

Merkezi ikili bölgeden herhangi bir gama ışını emisyonu tespit edilmese de, önceki X-ışını gözlemlerine uygun olarak, ikili yıldızın her iki tarafında yaklaşık 75 ışıkyılı uzaklıktaki dış jetlerde emisyon aniden ortaya çıkıyor.

Ancak gökbilimcileri en çok şaşırtan şey, farklı enerjilerde bakıldığında gama ışını emisyonunun konumundaki değişiklikti.

En yüksek enerjileri 10 teraelektron volttan fazla olan gama ışını fotonları, yalnızca jetlerin aniden yeniden ortaya çıktığı noktada tespit edilir. Buna karşılık, daha düşük enerjili gama ışınları yayan bölgeler, her jet boyunca daha ileride görünür.

Heidelberg’deki Max-Planck-Institut für Kernphysik’ten ve HESS araştırmasına liderlik eden Laura Olivera-Nieto, “Bu, astrofiziksel bir jetin gama ışını emisyonundaki enerjiye bağımlı morfolojinin ilk gözlemidir” dedi. Doktora tezi kapsamında SS 433.

“Başlangıçta bu bulgular karşısında şaşkınlığa uğradık. X-ışını jetlerinin yeniden ortaya çıktığı bölgelerde bu kadar yüksek enerjili fotonların konsantrasyonu, burada beklenmeyen bir şekilde etkili parçacık ivmesinin gerçekleşmesi gerektiği anlamına geliyor.” Bulgular yayınlanan içinde Bilim.

Bilim adamları, gammy-ışını emisyonunun gözlemlenen enerji bağımlılığının bir simülasyonunu yaptılar ve dış jetlerin hızına ilişkin ilk tahmine ulaşmayı başardılar. Bu hız ile jetlerin fırlatıldığı hız arasındaki fark, parçacıkları daha da ileriye doğru hızlandıran mekanizmanın güçlü bir şok, yani ortamın özelliklerinde keskin bir geçiş olduğunu gösteriyor.

Hızlanan elektronlar da X-ışını radyasyonu ürettiğinden, bir şokun varlığı jetlerin X-ışınının yeniden ortaya çıkması için doğal bir açıklama sağlayacaktır.

Brian Reville, “Bu hızlı parçacıklar daha sonra hafif bir parçacıkla (foton) çarpıştıklarında, enerjilerinin bir kısmını aktarırlar; bu da HESS ile gözlemlenen yüksek enerjili gama fotonlarını bu şekilde üretirler. Bu sürece ters Compton etkisi denir” diye açıklıyor. Heidelberg’deki Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü’ndeki Astrofizik Plazma Teorisi grubunun grup lideri.

“Bu benzersiz sistemde parçacık ivmesinin ortaya çıkışı hakkında çok fazla spekülasyon yapıldı – artık değil: HESS sonucu gerçekten de ivmenin yerini, ivmelenen parçacıkların doğasını kesin olarak ortaya koyuyor ve bize cismin hareketini araştırmamıza izin veriyor.” Heidelberg’deki Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü Direktörü ve Termal Olmayan Astrofizik Bölümü Başkanı Jim Hinton, “kara delik tarafından fırlatılan büyük ölçekli jetler” diye belirtiyor.

DESY Zeuthen’de doktora sonrası araştırmacı olan ortak yazar Michelle Tsirou, “Sadece birkaç yıl önce, yer tabanlı gama ışını ölçümlerinin böyle bir sistemin iç dinamikleri hakkında bilgi sağlayabileceği düşünülemezdi” diye ekliyor.

Ancak jetin yeniden ortaya çıktığı bölgelerdeki şokların kaynağı hakkında hiçbir şey bilinmiyor. Olivera-Nieto, “Henüz hiçbir model bu özelliği öngöremediğinden, jetin tüm özelliklerini aynı şekilde açıklayabilecek bir modelimiz hâlâ yok” diye açıklıyor.

SS 433’ün Dünya’ya göreceli yakınlığı, göreceli jetlerde parçacık ivmesinin oluşumunu incelemek için eşsiz bir fırsat sunduğundan, kendisini bundan sonra bu göreve adamak istiyor; değerli bir hedef. Sonuçların, en enerjik kozmik ışınların kökenine ilişkin birçok bilmecenin çözülmesine yardımcı olacak, binlerce kat daha büyük aktif galaksi ve kuasar jetlerine aktarılabileceği umulmaktadır.

HESS gözlemevi

Yüksek enerjili gama ışınları bir hile ile ancak yerden gözlemlenebilmektedir. Gama ışını atmosfere girdiğinde atom ve moleküllerle çarpışır ve çığ gibi yere doğru hızla ilerleyen yeni parçacıklar üretir. Bu parçacıklar, yerdeki özel donanımlı büyük teleskoplarla gözlemlenebilen, saniyenin yalnızca birkaç milyarda biri kadar süren parlamalar (Çerenkov radyasyonu) yayar.

Yüksek enerjili gama astronomisi bu nedenle atmosferi dev bir floresan ekran gibi kullanır. Namibya’nın Khomas Dağlık Bölgesi’nde 1.835 m yükseklikte bulunan HESS gözlemevi resmi olarak 2002 yılında faaliyete geçti. Beş teleskoptan oluşan bir diziden oluşuyor.

Ayna çapları 12 m olan dört teleskop bir karenin köşelerine yerleştirilmiştir ve 28 m’lik bir teleskop daha merkezdedir. Bu, birkaç on gigaelektronvolt (GeV, 10) aralığındaki kozmik gama radyasyonunun tespit edilmesini mümkün kılar.⁹ elektronvolt) birkaç on teraelektronvolta (TeV, 10) kadar¹² elektronvolt).

Karşılaştırma için: görünür ışık parçacıklarının enerjileri iki ila üç elektron volt arasındadır. HESS şu anda güney gökyüzünü yüksek enerjili gama ışığında gözlemleyen tek cihazdır ve aynı zamanda türünün en büyük ve en hassas teleskop sistemidir.