Observatoriet på en bjergtop ser gammastråler fra eksotiske Mælkevejsobjekter

Nattehimlen virker rolig, men teleskoper fortæller os, at universet er fyldt med kollisioner og eksplosioner. Fjern, voldsomme begivenheder signalerer deres tilstedeværelse ved at udspy lys og partikler i alle retninger. Når disse budbringere når Jorden, videnskabsmænd kan bruge dem til at kortlægge den actionfyldte himmel, hjælpe med bedre at forstå de flygtige processer, der sker dybt inde i rummet.

For første gang, et internationalt samarbejde mellem forskere har opdaget meget energisk lys, der kommer fra de yderste områder af et usædvanligt stjernesystem i vores egen galakse. Kilden er en mikrokvasar - et sort hul, der opsluger ting fra en nærliggende ledsagerstjerne og sprænger to kraftige stråler af materiale ud. Holdets observationer, beskrevet i den 4. oktober 2018-udgave af tidsskriftet Natur , tyder stærkt på, at elektronacceleration og kollisioner i enderne af mikrokvasarens stråler producerede de kraftige gammastråler. Forskere mener, at studier af budbringere fra denne mikrokvasar kan give et indblik i mere ekstreme begivenheder, der sker i centrene af fjerne galakser.

Holdet indsamlede data fra High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory (HAWC), som er en detektor designet til at se på gammastråleemission, der kommer fra astronomiske objekter såsom supernova-rester, kvasarer og roterende tætte stjerner kaldet pulsarer. Nu, holdet har studeret en af ​​de mest kendte mikrokvasarer, kaldet SS 433, hvilket er omkring 15, 000 lysår væk fra Jorden. Forskere har set omkring et dusin mikrokvasarer i vores galakse, og kun et par af dem ser ud til at udsende højenergiske gammastråler. Med SS 433's tætte nærhed og orientering, forskere har en sjælden mulighed for at observere ekstraordinær astrofysik.

"SS 433 er lige i vores nabolag og så, ved at bruge HAWC's unikke brede synsfelt, vi var i stand til at løse begge mikroquasar partikelaccelerationssteder, " sagde Jordan Goodman, en Distinguished University Professor ved University of Maryland og amerikansk ledende efterforsker og talsmand for HAWC-samarbejdet. "Ved at kombinere vores observationer med multi-bølgelængde og multi-messenger data fra andre teleskoper, vi kan forbedre vores forståelse af partikelacceleration i SS 433 og dens gigant, ekstragalaktiske fætre, kaldet kvasarer."

Kvasarer er massive sorte huller, der suger materiale ind fra galaksernes centre, i stedet for at leve af en enkelt stjerne. De udstøder aktivt stråling, som kan ses fra hele universet. Men de er så langt væk, at de fleste kendte kvasarer er blevet opdaget, fordi deres jetfly er rettet mod Jorden – som at have en lommelygte rettet direkte mod ens øjne. I modsætning, SS 433's jetfly er orienteret væk fra Jorden, og HAWC har detekteret tilsvarende energisk lys, der kommer fra mikroquasarens side.

Uanset hvor de kommer fra, gammastråler bevæger sig i en lige linje til deres destination. De, der ankommer til Jorden, kolliderer med molekyler i atmosfæren, skabe nye partikler og lavere energi gammastråler. Hver ny partikel smadrer derefter ind i flere ting, skabe en partikelbruser, når signalet fosser mod jorden.

HAWC, ligger omkring 13, 500 fod over havets overflade nær Sierra Negra-vulkanen i Mexico, er perfekt placeret til at fange den hurtige regn af partikler. Detektoren er sammensat af mere end 300 tanke med vand, hver af dem er omkring 24 fod i diameter. Når partiklerne rammer vandet, bevæger de sig hurtigt nok til at producere en chokbølge af blåt lys kaldet Cherenkov-stråling. Specielle kameraer i tankene registrerer dette lys, giver videnskabsmænd mulighed for at bestemme oprindelseshistorien for gammastrålerne.

HAWC-samarbejdet undersøgte 1, 017 dages data og så beviser for, at gammastråler kom fra enderne af mikroquasarens jetfly, snarere end den centrale del af stjernesystemet. Baseret på deres analyse, forskerne konkluderede, at elektroner i jetflyene opnår energier, der er omkring tusind gange højere, end der kan opnås ved hjælp af jordbundne partikelacceleratorer, såsom Large Hadron Collider i storbystørrelse, beliggende langs grænsen mellem Frankrig og Schweiz. Strålernes elektroner kolliderer med lavenergi-mikrobølgebaggrundsstrålingen, der gennemtrænger rummet, resulterer i gammastråling. Dette er en ny mekanisme til at generere højenergiske gammastråler i denne type systemer og er anderledes end hvad videnskabsmænd har observeret, når et objekts stråler er rettet mod Jorden.

Ke Fang, en medforfatter af undersøgelsen og tidligere postdoc-forsker ved Joint Space-Science Institute, et partnerskab mellem UMD og NASAs Goddard Space Flight Center, sagde, at denne nye måling er afgørende for at forstå, hvad der foregår i SS 433.

"At se på kun én slags lys, der kommer fra SS 433, er som kun at se halen af ​​et dyr, " sagde Fang, som i øjeblikket er Einstein Fellow ved Stanford University. "Dermed, vi kombinerer alle dets signaler, fra lavenergiradio til røntgen, med nye højenergi-gammastråleobservationer, for at finde ud af, hvilken slags udyr SS 433 egentlig er."

Indtil nu, instrumenter havde ikke observeret SS 433, der udsender så meget energiske gammastråler. Men HAWC er designet til at være meget følsom over for denne ekstreme del af lysspektret. Detektoren har også et bredt synsfelt, der hele tiden ser på hele himlen. Samarbejdet brugte disse evner til at løse mikroquasarens strukturelle træk.

"SS 433 er et usædvanligt stjernesystem, og hvert år er der kommet noget nyt ud om det, " sagde Segev BenZvi, en anden medforfatter af undersøgelsen og en assisterende professor i fysik ved University of Rochester. "Denne nye observation af højenergiske gammastråler bygger på næsten 40 års målinger af et af de mærkeligste objekter i Mælkevejen. Hver måling giver os en anden brik i puslespillet, og vi håber at bruge vores viden til at lære om kvasarfamilien som helhed."