Microquasar remnants as reservoirs of PeV cosmic rays

1. Il Problema Scientifico

L'osservatorio LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) ha rivelato una popolazione di sorgenti di raggi gamma galattici che emettono oltre i 100 TeV, con alcune che raggiungono o superano il regime PeV (10^15 eV). Tuttavia, la natura fisica di molte di queste sorgenti rimane incerta, poiché spesso non presentano controparti evidenti a energie più basse.
Il problema centrale è identificare i "PeVatroni galattici", ovvero gli acceleratori capaci di portare i raggi cosmici (CR) fino a queste energie estreme. Mentre i resti di supernova (SNR) sono candidati classici, molti di essi non possono spiegare l'intero spettro osservato. Gli autori ipotizzano che alcuni di questi emettitori ultradoti non siano alimentati da acceleratori attivi, ma dai resti fossili di microquasar (MQR): sistemi binari in cui il motore centrale (un buco nero di massa stellare) ha smesso di accrescere materia e di emettere getti, ma ha lasciato dietro di sé un "guscio" (cocoon) pieno di raggi cosmici ad alta energia.

2. Metodologia

Gli autori sviluppano un modello temporale evolutivo che segue il ciclo di vita di un microquasar, dalla fase attiva alla fase fossile.

• Scenario Fisico: Si considera un buco nero di massa stellare ($M_{BH} = 10 M_{\odot}$) in un sistema binario che attraversa una fase prolungata di accrescimento super-Eddington ($t_0 = 5 \times 10^4$ anni). Durante questa fase, getti relativistici ($\gamma_j = 3$, $L_j = 5 \times 10^{39}$ erg/s) vengono lanciati nel mezzo interstellare (ISM).
• Formazione del Cocoon: I getti inflano un "cocoon" (una bolla di plasma surriscaldato) e accelerano particelle agli shock di terminazione dei getti. Quando l'accrescimento cessa, i getti si spengono, ma il cocoon rimane sovrappressurizzato e si espande come una bolla guidata dal vento.
• Modellizzazione dei Raggi Cosmici:
  • Iniezione: Si assume che il 10% della potenza del getto venga convertita in raggi cosmici allo shock di terminazione, con una dominanza di protoni rispetto agli elettroni (rapporto $L_p/L_e = 100$).
  • Trasporto: Viene risolta un'equazione di trasporto dipendente dal tempo per i protoni, sia nella regione dello shock che all'interno del cocoon. Si considerano perdite adiabatiche, diffusione spaziale (in regime di Kraichnan, $\delta=0.5$) e confinamento magnetico.
  • Interazione: Si calcola l'emissione gamma risultante dall'interazione inelastica $pp$ (protoni-protoni) tra i raggi cosmici confinati nel cocoon (o diffusi nell'ISM) e nubi molecolari dense (sia intrappolate nel cocoon che esterne).

3. Contributi Chiave

Il lavoro introduce e quantifica il concetto di Microquasar Remnant (MQR) come una nuova classe di PeVatroni fossili:

1. Transizione Attivo-Fossile: Dimostra che un microquasar può diventare un serbatoio di raggi cosmici di lunga durata anche dopo che il motore centrale si è spento irreversibilmente.
2. Dinamica del Cocoon: Fornisce una descrizione dettagliata dell'evoluzione geometrica del cocoon (da ellissoide in espansione durante la fase attiva a bolla in espansione impulsiva dopo lo spegnimento), stimando dimensioni fino a ~100 pc su scale temporali di $10^5$ anni.
3. Confinamento a Lungo Termine: Mostra che i protoni con energie $\gtrsim 1$ PeV possono rimanere confinati nel cocoon per centinaia di migliaia di anni dopo la morte del motore, a causa dei tempi di diffusione lenti all'interno del mezzo turbolento.
4. Emissione Gamma Ritardata: Propone che l'emissione gamma osservata da LHAASO possa essere il risultato di un'illuminazione ritardata di nubi dense da parte di questi raggi cosmici fossili, piuttosto che di un'accelerazione in corso.

4. Risultati Principali

• Popolazione di Protoni: Durante la fase attiva, i protoni vengono trasferiti rapidamente dallo shock di terminazione al cocoon. Dopo lo spegnimento dei getti ($t > t_0$), il contenuto di protoni del cocoon diminuisce gradualmente, ma una frazione significativa di protoni PeV persiste per tempi molto lunghi.
• Spettro Gamma e Morfologia:
  • Un singolo MQR può generare un piccolo cluster di sorgenti gamma, a seconda della distribuzione delle nubi dense circostanti.
  • Lo spettro gamma dipende dalla distanza dalla sorgente e dal tempo: le particelle di energia più alta arrivano prima, causando un "steepening" (irrigidimento) dello spettro con la distanza e il tempo.
  • L'emissione gamma rimane rilevabile per le attuali e future strumentazioni (Fermi, SWGO, LHAASO) anche a distanze di 3 kpc, molto tempo dopo che il microquasar si è spento.
• Distinzione dagli SNR: A differenza dei resti di supernova, che mostrano morfologie a guscio ben definite e controparti multi-lunghezza d'onda, gli MQR appaiono come bolle diffuse, centralmente sottoluminose, senza shock esterni prominenti. L'emissione gamma è spostata rispetto al centro geometrico, tracciando le nubi irradiate.
• Stima della Popolazione: Considerando la durata della fase attiva e il tempo di vita del serbatoio fossile, gli autori stimano che ci possano essere da alcune decine a qualche centinaio di MQR nella Via Lattea, una frazione non trascurabile delle sorgenti LHAASO non identificate.

5. Significato e Implicazioni

Questo studio offre una spiegazione plausibile per una parte delle sorgenti PeV galattiche non identificate da LHAASO. Suggerisce che l'assenza di una controparte compatta attiva non esclude l'esistenza di un acceleratore di raggi cosmici; il motore potrebbe essere "morto" da tempo, ma il suo "fantasma" (il cocoon pieno di raggi cosmici) continua a brillare.
Le implicazioni principali sono:

• Nuova Classe di Oggetti: Gli MQR rappresentano una popolazione di PeVatroni estesi e di lunga durata precedentemente sottovalutata.
• Strategia Osservativa: Per identificare questi oggetti, è necessario cercare strutture radio su larga scala e deboli attorno a cluster di sorgenti LHAASO non identificate, e analizzare la morfologia e lo spettro gamma per rilevare le firme della diffusione dipendente dall'energia tipica dei serbatoi fossili.
• Comprensione dell'Universo Estremo: Conferma che i processi di accelerazione in sistemi binari con accrescimento super-Eddington possono avere effetti che persistono per scale temporali cosmologiche rispetto alla vita del sistema binario stesso.

In sintesi, il paper propone che i resti di microquasar estinti siano candidati fondamentali per spiegare l'origine dei raggi cosmici di altissima energia nella nostra galassia, agendo come "fari fossili" che illuminano il mezzo interstellare molto dopo la fine della loro attività centrale.