Elektrony o rekordowych energiach wpadają w pułapki teleskopów

Rys. 2: Artystyczna wizja pulsara z jego silnym polem magnetycznym, które obraca się razem z nim. Chmury naładowanych cząstek poruszają się wzdłuż linii pola, a ich promieniowanie gamma jest emitowane jak światło latarni morskiej przez pola magnetyczne. © NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab / Rysunek 2: Wyobrażenie artysty pulsara z jego potężnym polem magnetycznym obracającym się wokół niego. Chmury naładowanych cząstek poruszają się wzdłuż linii pola, emitując promieniowanie gamma, które jest skupiane przez pola magnetyczne, podobnie jak wiązki światła z latarni morskiej. W tych polach magnetycznych tworzone i przyspieszane są pary pozytonów i elektronów, co czyni pulsary potencjalnymi źródłami wysokoenergetycznych kosmicznych elektronów i pozytonów. © NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

Rys. 1: Wizualizacja układu teleskopów H.E.S.S. do rejestrowania rozbłysków cząstek wywołanych przez wysokoenergetyczne kosmiczne elektrony i pozytony oraz promieniowanie gamma. © MPIK/Kolaboracja H.E.S.S. / Fig. 1: Wizualizacja układu teleskopów H.E.S.S. rejestrującego rozbłyski cząstek wywołane przez wysokoenergetyczne kosmiczne elektrony i pozytony oraz promieniowanie gamma. © MPIK/Kolaboracja H.E.S.S.

Abb. 3: Spektrum energetyczne CRe. Czerwone kółka wskazują kandydatów na CRe zmierzonych przez H.E.S.S.. Ciemnoczerwony pas odpowiada dopasowanemu do danych złamanej potęgowi. Szerokość pasa odpowiada błędom statystycznym pomiarów. Jasnoniebieski pas wskazuje oszacowany zakres rzeczywistego strumienia CRe, uwzględniając zanieczyszczenie CRn oraz błędy statystyczne i systematyczne. / Fig. 3: Energy spectrum of the CRe. The red circles indicate the CRe candidates measured by H.E.S.S.. The dark red band corresponds to the broken power law fitted to the data, where the width of the band corresponds to the statistical errors of the measurements. The light blue band indicates the estimated range of the actual CRe flux, taking into account CRn contamination as well as statistical and systematic errors.

Naukowcy z kolaboracji H.E.S.S., w tym konsorcjum niemieckich uniwersytetów, Instytutu Maxa Plancka ds. Fizykę Jądrową oraz CNRS we Francji, niedawno zidentyfikowali najbardziej energetyczne elektrony i pozytony, jakie kiedykolwiek zmierzono na Ziemi. Dostarczają oni dowodów na kosmiczne procesy, które uwalniają ogromne ilości energii, a ich pochodzenie nadal pozostaje nieznane. Wyniki te zostaną opublikowane 25 listopada w czasopiśmie Physical Review Letters.

Wszechświat jest pełen ekstremalnych środowisk, od najzimniejszych temperatur po najbardziej energetyczne źródła. Ekstremalne obiekty, takie jak pozostałości po supernowych, pulsary czy aktywne jądra galaktyk, mogą generować naładowane cząstki i promieniowanie gamma, których energie przekraczają wielkości rzędu tych osiąganych w procesach termicznych, takich jak fuzja jądrowa w gwiazdach.

Podczas gdy emitowane światło gamma bez przeszkód przemierza przestrzeń kosmiczną, naładowane cząstki – zwane również promieniowaniem kosmicznym – są odchylane przez wszechobecne pola magnetyczne we wszechświecie i docierają do Ziemi równomiernie ze wszystkich kierunków. Ponadto naładowane cząstki tracą energię poprzez interakcje z światłem i polami magnetycznymi. Szczególnie silne są te straty u najbardziej energetycznych elektronów i pozytonów o energiach powyżej teraelektronowoltów (1 TeV = 10^12 elektronowoltów), czyli elektronów promieniowania kosmicznego (CRe). Ich wykrycie na Ziemi jest więc jednoznacznym dowodem na istnienie silnych kosmicznych akceleratorów cząstek w pobliżu naszego Układu Słonecznego, choć nie można ich używać do określenia ich pochodzenia w przestrzeni kosmicznej.

Jednak wykrycie tych wysokoenergetycznych cząstek jest trudne: teleskopy satelitarne o powierzchni detektora około jednego metra kwadratowego nie są w stanie wystarczająco wychwycić rzadkich cząstek. Instrumenty naziemne mogą wykrywać kaskady cząstek wywołane uderzeniem promieniowania kosmicznego w atmosferę Ziemi, ale stoją przed wyzwaniem odróżnienia kaskad wywołanych elektronami lub pozytonami od znacznie częstszych kaskad powstających w wyniku uderzenia cięższych jąder kosmicznych. W 2008 roku naukowcom po raz pierwszy udało się zidentyfikować te CRe w danych z naziemnego teleskopu Cherenkov'a H.E.S.S.

Obserwatorium H.E.S.S. w Namibii wykorzystuje pięć dużych teleskopów atmosferycznych do rejestrowania słabego światła Cherenkova, które jest emitowane przez wysokoenergetyczne cząstki i fotony przechodzące przez atmosferę naszego planety, wywołując kaskadę cząstek (Rys. 1). Chociaż głównym celem obserwatorium H.E.S.S. jest wykrywanie, selekcja i pomiar źródeł promieniowania gamma, dane te mogą być również wykorzystywane do poszukiwania kosmicznych elektronów.

W nowej analizie, przedstawionej przez naukowców z kolaboracji H.E.S.S., uzyskano nowe informacje na temat pochodzenia tych cząstek. W swojej pracy astrofizycy ponownie przeanalizowali ogromny zbiór danych zebranych przez cztery z teleskopów H.E.S.S. przez ponad dekadę, stosując nowatorskie i rygorystyczne algorytmy selekcji, aby zidentyfikować kosmiczne elektrony z niespotykanie niską kontaminacją tła. Doprowadziło to do uzyskania dotąd nieosiągalnego statystycznie zbioru danych do analizy elektronów kosmicznych. Szczególnie naukowcy z kolaboracji po raz pierwszy uzyskali dane CRe w najwyższych zakresach energii do 40 TeV (teraelektronowoltów).

"Obserwujemy, że spektrum energii CRe z rosnącą energią wykazuje łagodny spadek, ale przy około 1 Tera-elektronowolcie następuje nagłe załamanie, po którym spektrum staje się znacznie stalsze. Zarówno powyżej, jak i poniżej tego punktu, spektrum podąża za prawem potęgowym i nie zawiera innych charakterystycznych cech, które byłyby przewidywane przez wiele modeli akceleracji CRe", zauważa Mathieu de Naurois z Laboratoire Leprince-Ringuet, École Polytechnique, CNRS, jeden z głównych autorów badania.

Naukowcy zauważyli jednak, że przejście od płaskiego do stromej części spektrum energii w okolicach 1 Tera-elektronowolta jest niespodziewanie ostre.

„To ważny wynik, ponieważ pozwala nam wywnioskować, że zmierzona promieniowanie kosmiczne pochodzi najprawdopodobniej tylko od kilku źródeł w pobliżu naszego własnego Układu Słonecznego, które są maksymalnie oddalone o kilka tysięcy lat świetlnych — co jest bardzo małą odległością w porównaniu do rozmiaru naszej galaktyki. Emisje z wielu źródeł w różnych odległościach znacznie bardziej zatarłyby to sygnał”, wyjaśnia Kathrin Egberts z Uniwersytetu w Poczdamie, kolejna główna autorka badania. „Dzięki naszej szczegółowej analizie mogliśmy po raz pierwszy mocno ograniczyć pochodzenie tych kosmicznych elektronów.”

Prof. Werner Hofmann z Instytutu Maxa Plancka ds. Fizykę Jądrową w Heidelbergu wyjaśnia znaczenie nowej analizy dla badań astrofizycznych: „Bardzo niskie wskaźniki przepływu przy wysokich energiach mocno ograniczają możliwości przeprowadzania podobnych pomiarów przez misje kosmiczne. Nasza analiza dostarcza teraz danych w kluczowym i dotąd niebadanym zakresie energii, które wpływają na nasze zrozumienie lokalnego otoczenia. Prawdopodobnie będą one stanowić punkt odniesienia na najbliższy czas.”

Obserwatorium H.E.S.S.

Wysokoenergetyczne promieniowanie gamma można obserwować z Ziemi tylko za pomocą pewnego triku. Gdy promień gamma wnika do atmosfery, zderza się z atomami i cząstkami, wywołując powstanie nowych cząstek, które jak lawina spływają na powierzchnię Ziemi. Te cząstki emitują błyski światła, które trwają zaledwie kilka miliardowych części sekundy (promieniowanie Cherenkova) i mogą być obserwowane za pomocą specjalistycznych teleskopów naziemnych. Wysokoenergetyczna astronomia gamma wykorzystuje atmosferę jako ogromny ekran świetlny. Obserwatorium H.E.S.S. na Wyżynie Khomas w Namibii, na wysokości 1835 m n.p.m., zostało oficjalnie uruchomione w 2002 roku. Składa się z układu pięciu teleskopów. Cztery teleskopy o średnicy zwierciadła 12 m znajdują się na narożnikach kwadratu, a piąty, 28-metrowy teleskop, w centrum. Dzięki temu można wykrywać promieniowanie gamma kosmiczne w zakresie od kilku dziesięciu Gigaelektronowoltów (GeV, 10^9 eV) do kilku dziesięciu Teraelektronowoltów (TeV, 10^12 eV). Dla porównania: cząstki widzialnego światła mają energię od dwóch do trzech elektronowoltów. H.E.S.S. jest obecnie jedynym instrumentem, który obserwuje południowe niebo w wysokiej energii promieniowania gamma, a jednocześnie największym i najczulszym systemem teleskopów tego typu.

Bibliografia:
Wysokiej statystyki pomiar spektrum elektronów promieniowania kosmicznego z H.E.S.S.
Kolaboracja H.E.S.S. . Physical Review Letters, 25 listopada 2024.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.221001
arXiv: http://arxiv.org/abs/2411.08189