L'Osservatorio di raggi gamma di Cherenkov sull'acqua ad alta quota (HAWC) è un rivelatore progettato per osservare l'emissione di raggi gamma proveniente da oggetti astronomici come i resti di supernova, quasar e stelle dense rotanti chiamate pulsar. Situato a circa 13, 500 piedi sul livello del mare vicino al vulcano Sierra Negra in Messico, il rivelatore è composto da più di 300 serbatoi d'acqua, ciascuno di circa 24 piedi di diametro. Quando le particelle colpiscono l'acqua, producono un'onda d'urto di luce blu chiamata radiazione Cherenkov. Telecamere speciali nei serbatoi rilevano questa luce, permettendo agli scienziati di determinare l'origine dei raggi gamma in arrivo. Credito:Jordan Goodman/Università del Maryland
Il cielo notturno sembra sereno, ma i telescopi ci dicono che l'universo è pieno di collisioni ed esplosioni. lontano, eventi violenti segnalano la loro presenza emettendo luce e particelle in tutte le direzioni. Quando questi messaggeri raggiungono la Terra, gli scienziati possono usarli per mappare il cielo ricco di azione, aiutando a comprendere meglio i processi volatili che avvengono nelle profondità dello spazio.
Per la prima volta, una collaborazione internazionale di scienziati ha rilevato luce altamente energetica proveniente dalle regioni più esterne di un insolito sistema stellare all'interno della nostra galassia. La fonte è un microquasar, un buco nero che divora cose da una stella compagna vicina ed emette due potenti getti di materiale. Le osservazioni della squadra, descritto nel 4 ottobre, Numero 2018 della rivista Natura , suggeriscono fortemente che l'accelerazione degli elettroni e le collisioni alle estremità dei getti del microquasar abbiano prodotto i potenti raggi gamma. Gli scienziati pensano che lo studio dei messaggeri di questo microquasar possa offrire uno sguardo su eventi più estremi che accadono al centro di galassie lontane.
Il team ha raccolto dati dall'Osservatorio di raggi gamma Cherenkov sull'acqua ad alta quota (HAWC), che è un rivelatore progettato per osservare l'emissione di raggi gamma proveniente da oggetti astronomici come i resti di supernova, quasar e stelle dense rotanti chiamate pulsar. Ora, il team ha studiato uno dei microquasar più conosciuti, denominata SS 433, che è circa 15, 000 anni luce di distanza dalla Terra. Gli scienziati hanno visto una dozzina di microquasar nella nostra galassia e solo un paio di loro sembrano emettere raggi gamma ad alta energia. Con la vicinanza e l'orientamento della SS 433, gli scienziati hanno una rara opportunità di osservare un'astrofisica straordinaria.
"La SS 433 è proprio nel nostro quartiere e quindi, utilizzando l'ampio campo visivo unico di HAWC, siamo stati in grado di risolvere entrambi i siti di accelerazione delle particelle microquasar, "ha detto Jordan Goodman, un illustre professore universitario presso l'Università del Maryland e investigatore capo degli Stati Uniti e portavoce della collaborazione HAWC. "Combinando le nostre osservazioni con dati multi-lunghezza d'onda e multi-messaggero provenienti da altri telescopi, possiamo migliorare la nostra comprensione dell'accelerazione delle particelle nella SS 433 e nel suo gigante, cugini extragalattici, chiamati quasar."
I quasar sono enormi buchi neri che aspirano materiale dai centri delle galassie, piuttosto che nutrirsi di una singola stella. espellono attivamente le radiazioni, che può essere visto da tutto l'universo. Ma sono così lontani che i quasar più conosciuti sono stati rilevati perché i loro getti sono puntati sulla Terra, come avere una torcia puntata direttamente negli occhi. In contrasto, I getti della SS 433 sono orientati lontano dalla Terra e HAWC ha rilevato una luce energetica simile proveniente dal lato del microquasar.
Indipendentemente da dove provengono, i raggi gamma viaggiano in linea retta verso la loro destinazione. Quelli che arrivano sulla Terra si scontrano con le molecole nell'atmosfera, creando nuove particelle e raggi gamma a bassa energia. Ogni nuova particella poi si rompe in più cose, creando una pioggia di particelle mentre il segnale scende a cascata verso il suolo.
HAWC, situato a circa 13, 500 piedi sul livello del mare vicino al vulcano Sierra Negra in Messico, è perfettamente posizionato per catturare la pioggia di particelle in rapido movimento. Il rivelatore è composto da più di 300 serbatoi d'acqua, ognuno dei quali ha un diametro di circa 24 piedi. Quando le particelle colpiscono l'acqua si muovono abbastanza velocemente da produrre un'onda d'urto di luce blu chiamata radiazione Cherenkov. Telecamere speciali nei serbatoi rilevano questa luce, permettendo agli scienziati di determinare la storia dell'origine dei raggi gamma.
La collaborazione HAWC ha esaminato 1, 017 giorni di dati e ho visto prove che i raggi gamma provenivano dalle estremità dei getti del microquasar, piuttosto che la parte centrale del sistema stellare. Sulla base della loro analisi, i ricercatori hanno concluso che gli elettroni nei getti raggiungono energie che sono circa mille volte superiori a quelle che possono essere raggiunte utilizzando acceleratori di particelle terrestri, come il Large Hadron Collider delle dimensioni di una città, situato lungo il confine tra Francia e Svizzera. Gli elettroni dei getti collidono con la radiazione di fondo a microonde a bassa energia che permea lo spazio, con conseguente emissione di raggi gamma. Questo è un nuovo meccanismo per generare raggi gamma ad alta energia in questo tipo di sistema ed è diverso da quello che gli scienziati hanno osservato quando i getti di un oggetto sono puntati sulla Terra.
Ke Fang, coautore dello studio ed ex ricercatore post-dottorato presso il Joint Space-Science Institute, una partnership tra UMD e il Goddard Space Flight Center della NASA, ha detto che questa nuova misurazione è fondamentale per capire cosa sta succedendo nella SS 433.
"Guardare un solo tipo di luce proveniente dalla SS 433 è come vedere solo la coda di un animale, " disse Zanna, che attualmente è Einstein Fellow presso la Stanford University. "Così, combiniamo tutti i suoi segnali, dalla radio a bassa energia ai raggi X, con nuove osservazioni di raggi gamma ad alta energia, per scoprire che tipo di bestia è veramente la SS 433."
Fino ad ora, gli strumenti non avevano osservato SS 433 emettere raggi gamma così altamente energetici. Ma HAWC è progettato per essere molto sensibile a questa parte estrema dello spettro luminoso. Il rilevatore ha anche un ampio campo visivo che guarda l'intero cielo sopra la testa per tutto il tempo. La collaborazione ha utilizzato queste capacità per risolvere le caratteristiche strutturali del microquasar.
"SS 433 è un sistema stellare insolito e ogni anno è uscito qualcosa di nuovo al riguardo, " ha detto Segev BenZvi, un altro coautore dello studio e un assistente professore di fisica presso l'Università di Rochester. "Questa nuova osservazione dei raggi gamma ad alta energia si basa su quasi 40 anni di misurazioni di uno degli oggetti più strani della Via Lattea. Ogni misurazione ci dà un pezzo diverso del puzzle, e speriamo di usare le nostre conoscenze per conoscere la famiglia quasar nel suo insieme."
