Gwałtowne rozbłyski z odległej galaktyki

11-12-2014

W Roque de los Muchachos European North Observatory (2200 m n.p.m.) na wyspie kanaryjskiej La Palma należącej do Hiszpanii realizowany jest eksperyment MAGIC. Układ dwóch zainstalowanych tam teleskopów o tej samej nazwie, każdy z 17-metrową średnicą zwierciadła, jest w stanie mierzyć ze źródeł pozaziemskich promieniowanie od 25 miliardów do 50 bilionów razy bardziej energetyczne niż światło widzialne.

Galaktyka IC 310 (po prawej) na obrzeżu gromady galaktyk w Perseuszu, zawierającej tysiące galaktyk wewnątrz rozległej chmury gazu o temperaturze kilku milionów stopni. Centrum gromady znajduje się po lewej stronie, gdzie występuje większa gęstość galaktyk. IC 310 zawiera w swoim centrum aktywne jądro i jasne źródło radiowe.

Fot.: Sloan Digital Sky Survey

Fotony gamma wpadając w ziemską atmosferę produkują pęki wtórnych cząstek, które emitują nanosekundowe, słabe błyski światła ultrafioletowego, tzw. promieniowanie Czerenkowa. Teleskopy MAGIC ogniskując promieniowanie Czerenkowa na kamerze robią zdjęcia indywidualnych pęków, których analiza pozwala określić pochodzenie i energie pierwotnych fotonów gamma.

Eksperyment MAGIC narodził się w wyniku współpracy blisko 160 naukowców zatrudnionych w instytutach naukowych w Niemczech, Hiszpanii, Włoszech, Polsce, Szwajcarii, Finlandii, Bułgarii, Chorwacji, Indiach oraz Japonii.

Grupa naukowców z Katedry Astrofizyki, Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Łódzkiego, obecnie w składzie: prof. Włodzimierz Bednarek, mgr Wojciech Idec, dr hab. Andrzej Maciołek-Niedźwiecki, dr Julian Sitarek i dr hab. Dorota Sobczyńska, uczestniczy w tej współpracy od blisko dziesięciu lat, czyli od momentu jej nawiązania. Ostatnio uczeni biorący udział w eksperymencie MAGIC przedstawili wyniki obserwacji silnego rozbłysku promieniowania gamma bardzo wysokich energii z galaktyki o nazwie IC 310. Obserwacje zostały wykonane przy użyciu wspomnianych wcześniej dwóch teleskopów umieszczonych na wyspie La Palma.

Mapa obszaru nieba w kierunku IC 310 w gromadzie galaktyk w Perseuszu zaobserwowana przez teleskopy MAGIC 12 listopada 2012 r. (skala barw odpowiada strumieniowi emisji z danego kierunku). Jasne źródło punktowe po prawej stronie to obraz emisji gamma z IC 310. Kształt obszaru emisji nie jest znany z powodu ograniczonej rozdzielczości teleskopów MAGIC. Wewnętrzny panel pokazuje obserwacje radiowe wykonane przez EVN dwa tygodnie wcześniej. Obserwacje radiowe mają 580.000 razy lepszą rozdzielczość kątowa niż obserwacje teleskopów MAGIC i są w stanie określić strukturę obszaru emisji. Kontury i skala barw ukazują strukturę strugi wyrzuconej z okolicy super-masywnej czarnej dziury.

Fot.: MAGIC i EVN

Ten sam obiekt kosmiczny był też celem obserwacji europejskiej sieci VLBI (Very Long Baseline Interferometry, czyli radiowej interferometrii wielkobazowej), które zobrazowały w wysokiej rozdzielczości strugę materii wypływającą z prędkością bliską prędkości światła z pobliża supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki IC 310. Obserwacje promieniowania gamma zapewniają znacznie gorszą rozdzielczość kątową niż obserwacje radiowe. Jednakże rozbłysk widziany przez teleskopy MAGIC wykazywał zmienność w czasie rzędu minut wskazując na pochodzenie emisji z obszaru mniejszego niż rozmiar czarnej dziury. Naukowcy z eksperymentu MAGIC przypuszczają więc, że emisja ta jest wynikiem przyspieszania cząstek elementarnych w polu elektrycznym powstającym w pobliżu szybko obracającej się czarnej dziury.

Od lat uczeni uważają, że w centrach galaktyk znajduje się supermasywna czarna dziura, nawet o masie kilka miliardów razy większej niż Słońce. Jedna z takich czarnych dziur znajduje się w centrum galaktyki IC 310, należącej do gromady galaktyk w gwiazdozbiorze Perseusza oddalonej od nas o 260 milionów lat świetlnych. IC 310 jest zaliczana do grupy tzw. galaktyk z aktywnym jądrem (ang. Active Galactic Nucleus, AGN), czyli źródłem emitującym z centralnej części promieniowanie w szerokim zakresie energii, znacznie jaśniejszym niż zwykłe galaktyki. Ponadto emisja ta ulega zmianie w różnych skalach czasowych. Tak jak w przypadku wielu innych obiektów typu AGN, obserwacje radiowe pokazują rozciągłą strugę materii wydobywającą się z centrum IC 310. Wiemy, że jest ona relatywistyczna, czyli wystrzeliwana z prędkością bliską prędkości światła. Obserwujemy ją pod kątem co najmniej dziesięciu stopni. Proces jej powstawania wciąż nie jest w pełni wyjaśniony.

Mimo, że struga jest niesłychanie jasna, promieniująca więcej energii niż miliardy Słońc, jej źródło jest rozmiarów zaledwie kilkukrotnie większych niż promień orbity Ziemi wokół Słońca. Niedawne obserwacje gwałtownej zmienności promieniowania gamma (fotonów podobnych do światła widzialnego, jednakże miliard razy bardziej energetycznych), widziane przez teleskopy MAGIC, uświadomiły astrofizykom że IC 310 jest znacznie ciekawsza niż dotychczas myśleli.

Europejska sieć anten radiowych EVN (ang. European VLBI network) otrzymała obraz o wysokiej rozdzielczości wewnętrznej części strugi w IC 310 rozszyfrowując szczegóły jej struktury aż do rozmiarów rzędu zaledwie roku świetlnego. Obserwacje teleskopów MAGIC, choć mierzą promieniowanie kilkanaście rzędów wielkości bardziej energetyczne niż radiowe, nie są w stanie dorównać teleskopom radiowym w rozdzielczości kątowej. Jednakże, jeżeli emisja jest zmienna, rozmiar obszaru z którego ona pochodzi, może być oszacowany.

– Prawa fizyki wskazują, że żaden obszar nie może rozbłysnąć szybciej niż czas, który potrzebowałoby światło żeby go przekroczyć – wyjaśnia dr Julian Sitarek, analizujący dane obserwacyjne z IC 310.

Lata badań nad obiektami typu AGN wskazały, że są one najszybciej zmienne w zakresie promieniowania gamma wysokich energii, więc te właśnie obserwacje stanowią klucz do zrozumienia zagadki powstawania relatywistycznych strug w aktywnych galaktykach. Niedawne obserwacje teleskopami MAGIC pokazały że IC 310 zmienia swoją emisje w czasie zaledwie pięciu minut.

Dorit Eisenacher Glawion, doktorantka pracująca nad IC 310 w Uniwersytecie w Würzburgu stwierdza: – W związku z tym, że  supermasywna czarna dziura w IC 310 jest trzy razy większa od promienia orbity ziemskiej odkrycie emisji gamma zmiennej w czasie odpowiadającym jednej piątej rozmiaru czarnej dziury było dla nas ogromnym zaskoczeniem.

Naukowcy podejrzewają że relatywistyczne strugi są zasilane przez energie ruchu obrotowego supermasywnych czarnych dziur. – Możemy bezpośrednio obrazować te niewielkie obszary dzięki technice zwanej radiową interferometrią wielkobazową, używaną przez sieć teleskopów radiowych EVN – mówi Robert Schulz, doktorant pracujący w centrum naukowym Erlangen-Würzburg.

Większość obserwacji aktywnych galaktyk w różnych zakresach energii da się opisać jako wynik przyspieszania cząstek na falach uderzeniowych wewnątrz strug. Jednakże model ten nie jest w stanie wytłumaczyć zmienności szybszej niż czas jaki potrzebuje światło żeby przebyć dystans rzędu rozmiaru czarnej dziury u podstawy strugi, szczególnie w przypadku strug nachylonych pod dużym kątem do kierunku patrzenia obserwatora na Ziemi na co wskazują obserwacje IC 310. Obserwacje MAGIC wymagają więc zupełnie nowego spojrzenia na emisję promieniowania z otoczenia masywnych czarnych dziur w aktywnych jądrach galaktyk.

Schematyczny model przedstawiający prawdopodobne pochodzenie emisji gamma z okolic czarnej dziury w jądrze aktywnej galaktyki IC 310. Obracająca się czarna dziura (czarna kula) powoli pochłania materię spadającą na nią z wewnętrznych obszarów galaktyki. Fioletowa powierzchnia (w kształcie jabłka) ogranicza tzw. ergosferę, obszar z którego energia czarnej dziury może być wydobyta. Obrót czarnej dziury sprawia, że w obszarze pola magnetycznego (czerwone linie) powstaje obszar z silnym polem elektrycznym (zaznaczony na żółto) w którym cząstki mogą być przyśpieszane do relatywistycznych energii. Oddziaływania tych cząsteczek z promieniowaniem termicznym materii wpadającej do czarnej dziury powoduje powstawanie wysokoenergetycznego promieniowania gamma.

Fot.: MAGIC i EVN

Modele teoretyczne wskazują, że w sprzyjających warunkach w niewielkich obszarach w pobliżu szybko obracającej się czarnej dziury, ciągnącej za sobą pole magnetyczne, może powstać także silne pole elektryczne. W polu tym mogą być przyspieszane cząstki elementarne, elektrony i protony, do energii obserwowanych przez teleskopy MAGIC. Zatem obserwacje IC 310 mogą być ważnym krokiem w kierunku zrozumienia procesów tworzenia zagadkowych strug materii w pobliżu supermasywnych czarnych dziur w aktywnych galaktykach.

Profesor Razmik Mirzoyan z Max Planck Institut für Physik w Monachium stwierdza: – Odkrycie tak szybkiej zmienności przy tych energiach pozwala nam badać regiony w pobliżu masywnych czarnych dziur w aktywnych galaktykach z których przypuszczalnie pochodzi emisja promieniowania. Współpraca MAGIC była w stanie osiągnąć ten i inne ważne wyniki dzięki doskonałej czułości teleskopów MAGIC, ich niskiemu progowi energetycznemu i szerokiemu zakresowi obserwowanego promieniowania.


Te zdumiewające rezultaty badań przy wykorzystaniu teleskopów MAGIC i EVN (wymieniona już wyżej europejska sieć radiowej interferometrii wielkobazowej – VLBI, która obejmuje osiemnaście radioteleskopów znajdujących się we Francji, Wielkiej Brytanii, Hiszpanii, Holandii, Niemczech, Szwecji, Włoszech oraz w Polsce – Obserwatorium Astronomiczne UMK w Piwnicach , a także w Chinach i Republice Południowej Afryki) zostały opublikowane 6 listopada w renomowanym czasopiśmie „Science Express”.

Julian Sitarek 
Włodzimierz Bednarek