Magnetic rigidity reveals the PeVatron acceleration region in SS 433
Durch die Analyse von Multi-Frequenz-VLBA-Beobachtungen, die ein Magnetfeldprofil offenbaren, welches die magnetische Starrheit entlang des inneren Jets erhöht, identifiziert diese Studie die baryonischen Auswürfe des Mikroquasars SS 433 als einen verborgenen PeVatron, der in der Lage ist, Protonen auf Energien von über 1 PeV weit oberhalb seiner ausgedehnten TeV-emittierenden Lappen zu beschleunigen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Tief im Kosmos existiert eine Klasse kosmischer Beschleuniger, die so leistungsstark sind, dass sie subatomare Teilchen auf Energien schleudern können, die eine Million Mal höher sind als alles, was wir auf der Erde erzeugen können. Diese kosmischen Maschinen werden PeVatrons genannt. Jahrzehntelang haben Astronomen nach ihnen gesucht, wohl wissend, dass die Natur irgendwo in unserer eigenen Galaxie Teilchen zu diesen atemberaubenden Höhen beschleunigt. Während explodierende Sterne lange Zeit die Hauptverdächtigen waren, ist ein neuer Kandidat aus einem bizarren, lang untersuchten Objekt namens SS 433 hervorgegangen. Bei diesem System handelt es sich um ein Binärpaar, bei dem ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern einen Begleitstern gierig verschlingt und dabei zwei massive Jets aus superhitzigem Gas in entgegengesetzte Richtungen ausschießt. Jüngste Beobachtungen haben gezeigt, dass dieses System hochenergetische Gammastrahlen emittiert, was darauf hindeutet, dass es tatsächlich ein PeVatron ist, aber ein kritisches Rätsel blieb bestehen: Genau wo innerhalb dieser Jets findet die Beschleunigung statt? Geschieht dies nahe dem zentralen Antrieb oder weit draußen, wo die Jets auf das umgebende Gas prallen?
Ein Team von Astronomen hat dieses Rätsel nun gelöst, indem es die magnetische Umgebung innerhalb der Jets von SS 433 mit beispielloser Detailgenauigkeit untersucht hat. Unter Verwendung eines Netzwerks von Radioteleskopen, die über die Erde verteilt sind, kartierten sie die Stärke des Magnetfeldes entlang des inneren Abschnitts des Jets – einer Region, die nur wenige zehn astronomische Einheiten breit ist. Sie entdeckten, dass das Magnetfeld nicht so schnell schwächer wird wie erwartet, wenn man sich vom Zentrum entfernt. Stattdessen behält es über die Distanz überraschend gut seine Stärke bei. Dieses spezifische Verhalten ist der Schlüssel zum Rätsel. In der Physik hängt die Fähigkeit eines Magnetfeldes, ein Teilchen einzufangen und zu beschleunigen, von einer Kombination aus der Stärke des Feldes und der Größe des Gebiets ab, das es einnimmt. Da das Magnetfeld in SS 433 über eine so große Fläche hinweg stark genug bleibt, wächst die „magnetische Rigidität“ – die Kapazität, schnell bewegliche Teilchen festzuhalten – tatsächlich, während man sich weiter außen entlang des Jets bewegt.
Dieser Befund enthüllt, dass der innere Teil des Jets, speziell eine Zone, die einige hundert astronomische Einheiten vom zentralen Binärsystem entfernt ist, der verborgene Maschinenraum ist, in dem Protonen auf Peta-Elektronenvolt-Energien beschleunigt werden. Die Forscher berechneten, dass die magnetischen Bedingungen in dieser spezifischen Region stark genug sind, um Protonen auf Energien von etwa 2,6 Peta-Elektronenvolt zu treiben. Dies stimmt perfekt mit den maximalen Energieniveaus überein, die aus den vom LHAASO-Observatorium detektierten Gammastrahlen abgeleitet wurden. Die Studie schließt die Vorstellung effektiv aus, dass diese hochenergetischen Teilchen durch Elektronen am selben Ort erzeugt werden, da das intensive Magnetfeld Elektronen viel zu schnell abkühlen ließe, damit sie solche Energien erreichen könnten. Stattdessen deuten die Daten darauf hin, dass Protonen die primären Beschleuniger sind.
Das Bild, das sich ergibt, ist das eines zweistufigen Prozesses. Die kompakten, inneren Jets von SS 433 fungieren als Injektionsstelle, an der Protonen durch das Magnetfeld auf extreme Geschwindigkeiten gebracht werden. Sobald diese superschnellen Protonen diese innere Zone verlassen, reisen sie nach außen in die umgebende Nebula, eine riesige Gaswolke namens W50. Dort kollidieren sie mit neutralen Gasatomen und erzeugen den Ausbruch hochenergetischer Gammastrahlen, die von Teleskopen auf der Erde gesehen werden können. Diese Trennung erklärt, warum die Gammastrahlungsempfindlichkeit bei verschiedenen Energieniveaus unterschiedlich aussieht: Die hochenergetischsten Signale stammen aus der Interaktionszone in der Gaswolke, während die Beschleunigung selbst viel näher an der Quelle stattfindet. Durch die Messung des Magnetfeldprofils haben die Forscher nicht nur den Beschleuniger lokalisiert, sondern auch bestätigt, dass die Mikroquasar SS 433 ein echtes PeVatron ist, das in der Lage ist, Teilchen bis an die Grenzen des Möglichen in unserer Galaxie zu treiben.
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