Pulsarii ar putea alimenta raze cosmice cu cele mai mari energii cunoscute din univers

Rămășițele vânjoase și haotice din jurul stelelor care au explodat recent pot lansa cele mai rapide particule din univers.

Stelele neutronice foarte magnetice cunoscute sub numele de pulsari generează un vânt magnetic rapid și puternic. Atunci când particulele încărcate, în special electronii, sunt prinse în aceste condiții turbulente, ele pot fi impulsionate la energii extreme, raportează astrofizicienii la 28 aprilie în revista Astrophysical Journal Letters. Mai mult, acești electroni iuți pot apoi să stimuleze lumina ambientală la energii la fel de extreme, creând probabil fotoni de raze gamma de foarte mare energie care i-au determinat pe astronomi să detecteze aceste lansatoare de particule în primul rând.

„Acesta este primul pas în explorarea legăturii dintre pulsari și emisiile de energie ultra-înaltă”, spune astrofizicianul Ke Fang de la Universitatea din Wisconsin, Madison, care nu a fost implicat în această nouă lucrare.

Anul trecut, cercetătorii de la Large High Altitude Air Shower Observatory, sau LHAASO, din China, au anunțat descoperirea razelor gamma de cea mai mare energie detectată vreodată, până la 1,4 cvadrilioane de electroni volți (SN: 2/2/21). Acest lucru este de aproximativ 100 de ori mai energic decât cele mai înalte energii care pot fi atinse cu cel mai important accelerator de particule din lume, Large Hadron Collider de lângă Geneva. Identificarea cauzei acestor raze gamma și a altor raze gamma de energie extrem de ridicată ar putea indica, la propriu, locațiile razelor cosmice – protoni, nuclee atomice mai grele și electroni care bombardează Pământul din locuri aflate dincolo de sistemul nostru solar.

Se crede că unele raze gamma își au originea în aceleași medii ca și razele cosmice. Unul dintre modurile în care sunt produse este acela că razele cosmice, la scurt timp după ce sunt lansate, se pot lovi de fotonii din mediul înconjurător cu energie relativ joasă, amplificându-i în raze gamma de înaltă energie. Dar razele cosmice încărcate electric sunt lovite de câmpurile magnetice galactice, ceea ce înseamnă că nu călătoresc în linie dreaptă, ceea ce complică eforturile de urmărire a acestor particule rapide până la sursa lor. Cu toate acestea, razele gama sunt impermeabile la câmpurile magnetice, astfel încât astrofizicienii pot urmări traseele lor neclintite până la origini – și pot afla unde sunt create razele cosmice.

În acest scop, echipa LHAASO a urmărit sutele de fotoni de raze gamma pe care i-a detectat până la 12 puncte de pe cer. În timp ce echipa a identificat un loc ca fiind Nebuloasa Crabului, rămășița unei supernove la aproximativ 6.500 de ani-lumină de Pământ, cercetătorii au sugerat că restul ar putea fi asociate cu alte locuri de explozii stelare sau chiar cu grupuri de stele masive tinere (SN: 6/24/19).

În noul studiu, astrofizicianul Emma de Oña Wilhelmi și colegii săi s-au concentrat asupra unuia dintre aceste posibile puncte de origine: nebuloasele de vânt ale pulsarului, norii de turbulență și particule încărcate care înconjoară un pulsar. Cercetătorii nu erau convinși că astfel de locații ar putea crea particule și lumină de înaltă energie, așa că și-au propus să demonstreze, prin calcule, că nebuloasele de vânt ale pulsarului nu sunt sursele de raze gamma extreme. „Dar, spre surprinderea noastră, am văzut că, în condiții foarte extreme, se pot explica toate sursele [that LHAASO saw],” spune de Oña Wilhelmi, de la Sincrotonul german de electroni din Hamburg.

Tinerii pulsari tineri din inima acestor nebuloase – nu mai vechi de 200.000 de ani – pot furniza tot acest impuls datorită câmpurilor lor magnetice ultra-puternice, care creează o bulă magnetică turbulentă numită magnetosferă.

Orice particule încărcate care se mișcă într-un câmp magnetic intens sunt accelerate, spune de Oña Wilhelmi. Acesta este modul în care Large Hadron Collider stimulează particulele la energii extreme (SN: 4/22/22). Un accelerator alimentat de un pulsar, însă, poate impulsiona particulele la energii și mai mari, a calculat echipa. Acest lucru se datorează faptului că electronii scapă din magnetosfera pulsarului și se întâlnesc cu materialul și câmpurile magnetice provenite din explozia stelară care a creat pulsarul. Aceste câmpuri magnetice pot accelera și mai mult electronii până la energii și mai mari, a constatat echipa, iar dacă acești electroni se lovesc de fotonii din mediul înconjurător, ei pot amplifica aceste particule de lumină până la energii foarte mari, transformându-le în raze gamma.

„Pulsarii sunt cu siguranță acceleratori foarte puternici”, spune Fang, cu „mai multe locuri în care se poate produce accelerarea particulelor”.

Și asta ar putea duce la o mică confuzie. Telescoapele cu raze gamma au o viziune destul de neclară. De exemplu, LHASSO poate distinge detalii doar până la jumătate din dimensiunea lunii pline. Astfel, sursele de raze gamma pe care telescopul le-a detectat arată ca niște pete sau bule, spune de Oña Wilhelmi. Ar putea exista mai multe surse energetice în interiorul acestor pete, nerezolvate de observatoarele actuale.

„Cu o rezoluție unghiulară mai bună și o sensibilitate mai bună, ar trebui să fim capabili să identificăm ce [and] unde se află acceleratorul”, spune ea. Câteva observatoare viitoare – cum ar fi Cherenkov Telescope Array și Southern Wide-field Gamma-ray Observatory – ar putea ajuta, dar acestea sunt la câțiva ani distanță.