Dodano: 26 kwiecień 2022r.

Wysokoenergetyczne promieniowanie gamma z gwiazd nowych. Odkrycie naukowców z UŁ

Astrofizycy z Uniwersytetu Łódzkiego zaobserwowali wysokoenergetyczne promieniowanie gamma z układu gwiazd, w którym doszło do wybuchu na powierzchni jednej z nich. Układ podwójny gwiazd, o którym mowa, to układ RS Ophiuchi zaliczany do rzadkiej klasy tzw. nowych powrotnych.

Wysokoenergetyczne promieniowanie gamma z gwiazd nowych. Odkrycie naukowców z UŁ

 

Astronomowie z Uniwersytetu Łódzkiego jako pierwsi zaobserwowali wybuch w tym zakresie energii. Co ciekawe, prof. dr hab. Włodzimierz Bednarek i dr hab. Julian Sitarek (prof. UŁ), którzy uczestniczyli w tym odkryciu , już jedenaście lat temu zaproponowali model teoretyczny przewidujący ten rodzaj i źródło emisji promieniowania.

Łódzcy badacze z Katedry Astrofizyki Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej UŁ do swoich obserwacji wykorzystali układ dwóch 17-metrowych teleskopów czerenkowskich na Wyspach Kanaryjskich. Ich odkrycie wskazuje na nowy typ źródeł cząstek bardzo wysokich energii w przestrzeni kosmicznej. Podkreśla też znaczenie procesów przyspieszania cząstek podczas wybuchów gwiazd nowych, a także na ich udział w tworzeniu promieniowania kosmicznego wypełniającego naszą Galaktykę. Wyniki obserwacji i ich interpretacja znalazły się w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Nature Astronomy” (DOI: 10.1038/s41550-022-01640-z).

Od czerwonego olbrzyma do białego karła

Życie gwiazdy rozpoczyna się od jej uformowania z zagęszczeń materii w ogromnych obłokach gazu. Dla masywnych gwiazd kończy się ono widowiskowymi wybuchami, w czasie których ich jasność staje się porównywalna do jasności macierzystej galaktyki. Natomiast los gwiazd o małych masach, wielkości naszego Słońca, będzie inny. Słońce w ciągu następnych 5 miliardów lat wyczerpie zasoby paliwa jądrowego i rozedmie się, osiągając fazę czerwonego olbrzyma, a następnie skurczy się do rozmiarów Ziemi, stając się supergęstym białym karłem.

Słońce jest gwiazdą pojedynczą, tymczasem w Galaktyce 1/3 gwiazd występuje w parach z innymi. Biały karzeł w takim podwójnym układzie gwiazdowym może ściągać materię z towarzysza - czerwonego olbrzyma, tworząc jej warstwę na swojej powierzchni. Po przekroczeniu pewnej krytycznej masy, następuje wybuch termojądrowy w warstwie wodoru białego karła. Rozgrzana materia zostaje wyrzucona w przestrzeń kosmiczną z prędkością tysięcy kilometrów na sekundę i rozbłyska z jasnością nawet 100.000 razy przewyższającą typową jasność gwiazdy podobnej do Słońca. Cały proces dobrze zobrazowano na poniższej animacji.

Taka gwiazda staje się nagle widzialna na nocnym niebie nawet z odległości tysięcy lat świetlnych. Historycznie te obiekty były nazwane „stella nova” - nowymi gwiazdami.

RS Ophiuchi – wybuch i promieniowanie gamma

Gwiazda RS Ophiuchi w Konstelacji Wężownika jest nową powrotną, która wybucha co kilkanaście lat. Kolejna jej eksplozja została zaobserwowana na Ziemi 8 sierpnia 2021 roku, najpierw przez teleskopy optyczne. W ciągu kilku następnych godzin Large Area Telescope na pokładzie satelity Fermi zarejestrował również promieniowanie gamma z RS Ophiuchi. Obserwacje te spowodowały skierowanie w jej stronę teleskopów czerenkowowskich - H.E.S.S. w Namibii oraz MAGIC na Wyspach Kanaryjskich, i odkrycie emisji gamma o energiach fotonów nawet kilkadziesiąt razy większej niż obserwowane przez Fermi. Obserwacje teleskopami MAGIC pozwoliły wykryć promieniowanie, które jest setki miliardów razy bardziej energetyczne niż promieniowanie widzialne oraz scharakteryzować emisję z nowej powrotnej RS Ophiuchi już 24 godziny po jej wybuchu.

Łącząc dane otrzymane z teleskopów MAGIC z obserwacjami przy niższych energiach grupa naukowców współpracujących w ramach projektu MAGIC po raz pierwszy wykazała, że promieniowanie gamma z gwiazd nowych powstaje w wyniku przyspieszania protonów na fali uderzeniowej wywołanej przez eksplozję.

Tajemnice nowych powrotnych

Jedynie część protonów traci swoją energię, produkując promieniowanie gamma. Większość ucieka do przestrzeni międzygwiezdnej. Wkład wybuchu gwiazdy nowej RS Ophiuchi do średniego galaktycznego promieniowania kosmicznego jest niewielki. Stanowi zaledwie ułamek tego, które pochodzi od ich bardziej gwałtownych kuzynów, supernowych, kończących życie w pojedynczym, ale o rzędy wielkości bardziej energetycznym wybuchu. Jednak w przypadku nowych powrotnych, protony przyspieszone w kolejnych wybuchach będą się kumulować, tworząc wokół nich bąble o zwiększonej gęstości promieniowania kosmicznego.

Chociaż analiza emisji z RS Ophiuchi dała pierwsze przekonujące dowody pochodzenia promieniowania gamma z gwiazd nowych, wciąż bez odpowiedzi pozostaje szereg pytań o naturę tych obiektów. Nadal nie wiemy, czy emisja tego promieniowania wymaga obecności czerwonego olbrzyma w układzie gwiazdowym z białym karłem, czy jest zjawiskiem bardziej uniwersalnym, występującym również w innych typach gwiazd nowych (np. klasycznych nowych zawierających gwiazdę typu naszego Słońca). Łódzcy naukowcy mają nadzieję, że obserwacje teleskopami czerenkowskimi w nadchodzących latach pozwolą uzyskać odpowiedź także na to pytanie.

 

Źródło: Centrum Promocji UŁ