Naukowcy z Obserwatorium H.E.S.S. po raz pierwszy zaobserwowali zależne od czasu przyspieszanie cząstek poza naszym Układem Słonecznym.
Gwiazdy nowe to potężne erupcje na powierzchni białego karła w układzie podwójnym. Nowa tworzy falę uderzeniową, która rozprzestrzenia się w otoczeniu układu podwójnego, ciągnąc za sobą cząsteczki i przyspieszając je do ekstremalnych energii. Naukowcom z Obserwatorium H.E.S.S. w Namibii po raz pierwszy udało się zaobserwować proces akceleracji. Co zaskakujące, nowa RS Ophiuchi przyspiesza cząstki do prędkości zbliżonych do proędkości maksymalnych przewidywanych przez teorię, co odpowiada idealnym warunkom przyspieszania.
Gwiazdy nowe powstają, gdy biały karzeł zbiera materię z towarzyszącej mu masywnej gwiazdy. Wiadomo, że niektóre nowe się powtarzają. Te powtarzające się nowe są wynikiem termojądrowych eksplozji na powierzchni starych, bardzo zwartych gwiazd znanych jako białe karły. RS Ophiuchi jest jedną z tych powtarzających się nowych; co 15 do 20 lat na jej powierzchni dochodzi do eksplozji. „Gwiazdy tworzące system znajdują się w przybliżeniu w tej samej odległości od siebie, co Ziemia i Słońce” – wyjaśnia Alison Mitchell, badaczka z Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg i główny badacz programu H.E.S.S Nova. „Kiedy nowa wybuchła w sierpniu 2021 r., teleskopy H.E.S.S. pozwoliły nam po raz pierwszy zaobserwować galaktyczną eksplozję w bardzo wysokoenergetycznym promieniowaniu gamma” – kontynuuje.
Grupa badawcza zaobserwowała, że w następstwie wybuchu cząstki zostały przyspieszone do energii kilkaset razy wyższych niż wcześniej obserwowane w przypadku gwiazd nowych. Dodatkowo energia uwolniona w wyniku eksplozji została niezwykle wydajnie przekształcona w przyspieszone protony i ciężkie jądra, tak że przyspieszenie cząstek osiągnęło maksymalne prędkości obliczane w modelach teoretycznych. Według Ruslana Konno, jednego z głównych autorów badania i doktoranta w DESY w Zeuthen: „Obserwacja, że teoretyczna granica przyspieszenia cząstek może faktycznie zostać osiągnięta w prawdziwych kosmicznych falach uderzeniowych, ma ogromne implikacje dla astrofizyki. Sugeruje to, że proces przyspieszania może być równie skuteczny w przypadku ich znacznie bardziej ekstremalnych krewnych, supernowych”.
Podczas erupcji RS Ophiuchi naukowcy po raz pierwszy byli w stanie śledzić rozwój nowej w czasie rzeczywistym, co pozwoliło im obserwować i badać przyspieszenie cząstek kosmicznych tak, jakby oglądali film. Naukowcy byli w stanie zmierzyć wysokoenergetyczne promienie gamma do jednego miesiąca po wybuchu. „Po raz pierwszy byliśmy w stanie przeprowadzić takie obserwacje, co pozwoli nam w przyszłości uzyskać jeszcze dokładniejszy wgląd w
sposób w jaki działają kosmiczne eksplozje – wyjaśnia Dmitry Khangulyan, astrofizyk teoretyczny z Uniwersytetu Rikkyo w Tokio. Japonia. „Możemy na przykład odkryć, że nowe przyczyniają się do wszechobecnego morza promieniowania kosmicznego, a zatem mają znaczny wpływ na dynamikę ich bezpośredniego otoczenia”.
Do tych pomiarów potrzebne były specjalne teleskopy. Detektor H.E.S.S. (co oznacza High Energy Stereoscopic System) składa się z pięciu teleskopów Czerenkowa, które są wykorzystywane do badania promieniowania gamma z kosmosu. Nowa, bardzo czuła, najnowocześniejsza kamera - znana jako FlashCam - została niedawno zainstalowana w największym teleskopie. Projekt FlashCam jest obecnie dalej rozwijany w ramach projektu obserwatorium promieniowania gamma nowej generacji, Cherenkov Telescope Array (CTA). „Nowa kamera jest używana od końca 2019 r., a ten pomiar pokazuje, jak duży potencjał ma najnowsza generacja kamer” – wyjaśnia Simon Steinmassl, doktorant w Instytucie Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka w Heidelbergu, który był zaangażowany w analizowanie danych z kamery.
Teleskopy zostały skierowane w stronę nowej w bardzo krótkim czasie po tym, jak astronomowie amatorzy po raz pierwszy donieśli społeczności astrofizyków o wybuchu. Sukces obserwacji był w dużej mierze spowodowany szybką reakcją badaczy i szerszej społeczności astronomicznej, torując drogę do dalszych obszernych obserwacji. Stefan Wagner, profesor w Obserwatorium Regionalnym w Heidelbergu i dyrektor Eksperymentu H.E.S.S., wyjaśnia, „w ciągu najbliższych kilku lat badania z użyciem teleskopów CTA pokażą, czy ten rodzaj nowej jest wyjątkowy”. Ponadto naukowcy mają teraz jaśniejsze pojęcie, czego szukać. Daje to początek wielu nowym możliwościom lepszego zrozumienia i lepszego wyjaśnienia zdarzeń związanych z nowymi. „Ten pomiar jest kolejnym przełomem w astronomii promieniowania gamma i jest zachęcającym znakiem, że będziemy w stanie zbadać o wiele więcej kosmicznych eksplozji za pomocą H.E.S.S. i przyszłych teleskopów promieniowania gamma”.
Prezentowane badania zostały opublikowane w
H.E.S.S. Collaboration
"Time-resolved hadronic particle acceleration in the recurrent nova RS Ophiuchi"
SCIENCE • 10 Mar 2022 • Vol 376, Issue 6588 • pp. 77-80 • DOI: 10.1126/science.abn0567
O H.E.S.S.
Ponad 230 naukowców z 41 instytutów w 15 różnych krajach jest zaangażowanych w międzynarodowy projekt H.E.S.S. i wniosło swój wkład w te badania. H.E.S.S. to układ pięciu teleskopów Czerenkowa do badania kosmicznego promieniowania gamma. Teleskopy znajdują się w Namibii, w pobliżu góry Gamsberg, w regionie znanym z doskonałych właściwości optycznych. Cztery teleskopy H.E.S.S. zostały uruchomione w latach 2002/2003, znacznie większy piąty teleskop znany jako H.E.S.S. II działa od lipca 2012 r. i rozszerza zakres energii w kierunku niższych energii, a także dodatkowo poprawia czułość. Polski udział w projekcie H.E.S.S., koordynowany przez Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika PAN, jest finansowany przez Ministerstwo Edukacji i Nauki w ramach programu pt. „Wsparcie udziału polskich zespołów badawczych w międzynarodowych projektach infrastruktury badawczej” (umowa nr 2021/WK/06).
