Źródło mocy w Mgławicy Krab

Źródło mocy w Mgławicy KrabOriginal Press Release
Pulsar w centrum słynnej Mgławicy Krab to niezwykłe skupisko energii.

Gwiazda neutronowa w mgławicy Krab jest jednym z najlepiej poznanych pulsarów. Obraca się wokół własnej osi 30 razy na sekundę i posiada pole magnetyczne o mocy 100 mln Tesli, ponad bilion razy silniejsze od ziemskiego. Pulsar zasila otaczającą ją, słynną mgławicę Krab (M1), leżącą w odległości około 6000 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Byka. Zarówno pulsar, jak i mgławica są pozostałościami po wybuchu supernowej, który miała miejsce w lipcu 1054 roku i była widoczna gołym okiem nawet w ciągu dnia przez 23 dni.


Kosmiczna latarnia – pulstar Kraba emituje impulsy promieniowania gamma o energiach sięgających 400 GeV – ponad 50 razy potężniejszych, niż przewidują dotychczasowe teorie. Animacja pokazuje imulsy mierzone przez dwa teleskopy MAGIC (S. Klepser, MAGIC Collaboration)

Gwiazdy neutronowe to ekstremalnie gęste kule wykonane ze zdegenerowanej materii jądrowej – głównie neutronów. Mają masę zbliżoną do masy Słońca, ale średnicę zaledwie 20 kilometrów. Ale co sprawia, że gwiazdy neutronowej staje się jednym z 2000 odkrytych do tej pory w Drodze Mlecznje pulsarów? Gwiazdy neutronowe mają bardzo regularny i krótki okres rotacji (dzień), długości od jednej milisekundy do dziesięciu sekund. W trakcie obrotu, gwiazda nieustannie emituje naładowane cząstki, głównie elektrony i pozytony (anty-elektrony) jak również promieniowanie elektromagnetyczne.

Wyrzucone cząsteczki przemieszczają się wzdłuż linii pola magnetycznego, które obraca się z taką samą prędkością jak gwiazda neutronowa, tworząc snopy energii widoczne praktycznie w całym zakresie widma elektromagnetycznego, od fal radiowych po promieniowanie gamma. Jeśli jeden z tych snopów energii bywa skierowany w stronę Ziemie, gwiazda regularnie rozjaśnia się, podobnie jak światło z obracającego się reflektora latarni morskiej.

Kilka lat temu, teleskopy MAGIC obserwując pulsar Kraba wykryły promieniowanie gamma o energii > 25 GeV. Była to niespodzianka, ponieważ dostępne wówczas dane satelity EGRET pokazywały, że widmo pulsara wygasa przy znacznie niższych energiach. Jednak w paśmie bardzo wysokiej energii teleskop MAGIC miał kilka rzędy wielkości wyższą czułości w porównaniu do misji satelitarnych. W tym czasie naukowcy doszli do wniosku, że emisja musi powstawać co najmniej 60 kilometrów ponad powierzchnią gwiazdy neutronowej bowiem, wysokoenergetyczne promienie gamma są skutecznie tłumione przez  pole magnetyczne pulsara. Zatem źródło bardzo blisko jego powierzchni nie mogłoby zostać wykryte. W związku z tym, pomiary wykluczyły jedną z głównych teorii opisujących mechanizm emisji przez pulsar promieniowania gamma o wysokiej energii.

Jednak dane zbierane przez MAGIC w ciągu ostatnich dwóch lat pokazują, że energia impulsów znacznie przekracza wszelkie oczekiwania, osiągając 400 GeV w bardzo krótkich impulsach, o czasie trwania rzędu milisekundy. Dane te, razem z obserwacjami wykonanymi przez satelitę Fermi w obszarze znacznie niższych energii, ujawniają nieprzerwane widmo impulsów od 0,1 GeV do 400 GeV. Te jednoznaczne wyniki obserwacyjne podważają większość istniejących teorii pulsarów, z których wynikają znacznie niższe limity dla emisji o najwyższych energiach.

Nowy model teoretyczny opracowany przez współpracownika zespołu MAGIC Kouichi Hirotani z Instytutu Astronomii i Astrofizyki Academia Sinica na Tajwanie wyjaśnia zjawisko poprzez podobny do kaskady mechanizm, wytwarzający wtórne cząstki, które są w stanie pokonać barierę magnetosfery pulsara. Innym możliwym wytłumaczeniem zaproponowanym przez Felixa Aharonian z Instytutu Zaawansowanych Badań w Dublinie i innych badaczy łączy zagadkową emisję z podobnie zagadkową fizyki wiatru pulsara – strumienia elektronów, pozytonów i promieniowania elektromagnetycznego, które ostatecznie rozwija się w tworząc mgławicę Krab.

Mimo że powyższe modele są w stanie wyjaśnić emisję promieniowania bardzo wysokiej energii i krótki okres trwania impulsów, konieczne są dalsze udoskonalenia modeli do osiągnięcia dobrej zgodności z danymi obserwacyjnymi. Astrofizycy mają nadzieję, że przyszłe obserwacje poprawią statystyczną dokładność danych i pomogą w rozwiązywaniu tej zagadki. To może rzucić nowe światło na pulsary, jak i samą mgławicę Krab.

Źródła:

  • Max Planck Institute for Physics: Powerhouse in the Crab Nebula
  • Ilustrajca: NASA, ESA, J. Hester, A. Loll, CXC, SAO, F. Seward et al., MAGIC Collaboration
Powerhouse in the Crab Nebula

The pulsar at the centre of the famous Crab Nebula is a veritable bundle of energy. This was now confirmed by the two MAGIC (Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov) Telescopes on the Canary island of La Palma. They observed the pulsar in the area of very high energy gamma radiation from 25 up to 400 gigaelectronvolts (GeV), a region that was previously difficult to access with high energy instruments, and discovered that it actually emits pulses with the maximum energy of up to 400 GeV – 50 to 100 times higher than theorists thought possible. These latest observations are difficult for astrophysicists to explain. „There must be processes behind this that are as yet unknown”, says Razmik Mirzoyan, project head at the Max Planck Institute of Physics.

The neutron star in the Crab Nebula is one of the best known pulsars. It rotates around its own axis 30 times every second and has a magnetic field of 100 million Tesla, over a trillion times stronger than that of Earth. The pulsar powers the surrounding famous Crab Nebula, located about 6000 light-years from Earth in the constellation of Taurus. Both the pulsar and the nebula are remnants of a supernova which exploded in July 1054 AD and was visible to the naked eye even by daylight for 23 days.

Neutron stars are extremely dense spheres made of nuclear material. Their mass is similar to that of the sun, but they have diameters of just 20 kilometres. But what makes a neutron star a pulsar, of which astrophysicists have detected some 2000 in our Milky Way galaxy? Neutron stars have an extremely regular and very short rotation period or „day”, ranging from one millisecond to ten seconds. While rotating, the star constantly emits charged particles, mainly electrons and positrons (positively charged electrons) and electromagnetic radiation.

These particles move along magnetic field lines that rotate at the same speed as the neutron star itself, giving off beams almost everywhere in the electromagnetic spectrum, from radio wavelengths to gamma rays. If one of these beams crosses our line of sight, the star flashes up for a moment, just like the signal from a lighthouse.

A few years ago, the MAGIC telescopes detected gamma rays of energy ? 25 GeV from the Crab Pulsar. This was very unexpected since the available EGRET satellite data were showing that the spectrum ceases at much lower energies. However, at the very high energies MAGIC demonstrated to have few orders of magnitudes higher sensitivity compared to the satellite missions. At the time, scientists concluded that the radiation must have been produced at least 60 kilometres above the surface of the neutron star. This is because the high-energy gamma rays are so effectively shielded by the star's magnetic field that a source very close to the star could not be detected. As a consequence that measurement ruled out one of the main theories on high energy gamma-ray emission from the Crab pulsar.

Now the data measured by MAGIC over the course of the past two years show that the pulsed emissions by far exceed all expectations, reaching 400 GeV in extremely short pulses of about a millisecond duration.

The recent measurements by MAGIC, together with those of the orbiting Fermi satellite at much lower energies, provide an uninterrupted spectrum of the pulses from 0.1 GeV to 400 GeV. These clear observational results create major difficulties for most of the existing pulsar theories that predict significantly lower limits for highest energy emission.

A new theoretical model developed by MAGIC team associate Kouichi Hirotani of of the Academia Sinica, Institute of Astronomy and Astrophysics in Taiwan explains the phenomenon with a cascade-like process which produces secondary particles that are able to overcome the barrier of the pulsar's magnetosphere. Another possible explanation posed by Felix Aharonian of the Dublin Institute for Advanced Studies and other researchers links the puzzling emission to the similarly enigmatic physics of the pulsar wind – a current of electrons, positrons and electromagnetic radiation which ultimately develops into the Crab Nebula.

However, even though the above models are able to provide explanations for the extremely high energy and the shortness of the pulses, further refinements are necessary for achieving a good agreement with observations. Astrophysicists hope that future observations will improve the statistical precision of the data and help solving the mystery. This could shed new light on pulsars and on the Crab Nebula itself, as one of the most studied objects in our Milky Way.

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *