SST-1M: Recent results and prospects for observation of the Galactic Center region

In het hart van ons Melkwegstelsel ligt een gebied van intense activiteit, een drukke buurt gevuld met dichte wolken gas, de verpulverde resten van geëxplodeerde sterren en massieve clusters van jonge sterren. In deze chaotische omgeving fungeert de natuur als een kolossale deeltjesversneller, die materie op elkaar laat botsen om hoogenergetische straling te creëren die door het universum reist. Wetenschappers zijn bijzonder geïntrigeerd door een specifiek type van deze straling, genaamd zeer hoogenergetische gammastraling. Dit zijn de meest energetische vormen van licht die bekend zijn, die miljoenen keren meer energie dragen dan de röntgenstraling die in ziekenhuizen wordt gebruikt. Wanneer deze gammastralen de aardatmosfeer raken, bereiken ze de grond niet direct; in plaats daarvan creëren ze een korte, zwakke blauwe lichtflits die bekend staat als Cherenkov-straling. Om de kosmische motoren te bestuderen die deze stralen produceren, bouwen astronomen speciale telescopen op de grond die fungeren als gigantische spiegels, die deze vluchtige lichtflitsen opvangen om de oorsprong en de aard van de bronnen hoog daarboven te reconstrueren.

Een team van onderzoekers werkt met een nieuw type telescoop dat specifiek is ontworpen om deze hoogenergetische flitsen op te vangen. Deze instrumenten, bekend als Single-Mirror Small-Size Telescopes, werken momenteel in Tsjechië. Hoewel ze al hun waarde hebben bewezen door beroemde kosmische objecten zoals de Krabnevel en verre actieve sterrenstelsels te observeren, beperkt hun locatie op het noordelijk halfrond wat ze kunnen zien. Het belangrijkste doelwit voor dit soort wetenschap, het centrum van ons sterrenstelsel, ligt te laag aan de zuidelijke hemel om vanuit het noorden duidelijk geobserveerd te worden. Het team plant nu om hun telescopen te verplaatsen naar een nieuwe locatie in Argentinië, waar het Galactisch Centrum gedurende veel langere perioden zichtbaar is. Door te simuleren wat deze telescopen vanaf deze nieuwe locatie zouden zien, hebben de onderzoekers aangetoond dat zij in staat zullen zijn de complexe structuren van de galactische kern in kaart te brengen en te testen of de deeltjes daar worden versneld tot energieën die veel verder gaan dan wat welke machine op aarde ooit zou kunnen bereiken.

Het werk van het team begon met het bewijzen dat hun huidige opstelling in Tsjechië precies werkt zoals bedoeld. Sinds 2023 laten zij twee van deze telescopen samen werken, gescheiden door een afstand van ongeveer 155 meter, waardoor ze de hemel in stereo kunnen bekijken, vergelijkbaar met hoe menselijke ogen diepteperceptie bieden. Ze hebben honderden uren de Krabnevel geobserveerd, een bekend restant van een supernova, en succesvol het energiedispersiespectrum tot 100 TeV gemeten, een energieniveau dat moeilijk te bereiken is voor andere instrumenten. Deze observatie bevestigde dat hun telescopen in staat zijn om zwakke, uitgebreide bronnen van gammastraling met hoge precisie te detecteren. Ze bestudeerden ook andere regio's van de hemel, zoals het Zwaanconstellatie, waar ze erin slaagden twee afzonderlijke bronnen van straling te onderscheiden die voorheen vervaagd waren samengevoegd. Dit vermogen om fijne details in de hemel te onderscheiden is cruciaal, omdat het centrum van ons sterrenstelsel een drukke plek is waar veel verschillende bronnen overlappen, wat het moeilijk maakt om te bepalen welk object welk signaal produceert.

Met deze prestatie geverifieerd, richtten de onderzoekers hun aandacht op de toekomst. Ze gebruikten computermodellen, gevalideerd door hun real-world data, om te simuleren wat er zou gebeuren als ze hun telescopen zouden verplaatsen naar Malargüe in Argentinië. Deze nieuwe locatie bevindt zich op een grotere hoogte en biedt een helder uitzicht op het Galactisch Centrum gedurende honderden uren per jaar. In hun simulatie stelden zij zich voor dat ze de centrale regio van het sterrenstelsel gedurende 250 uur zouden observeren, met de focus op het gebied dat bekend staat als de "Ridge", een band van diffuse gamma-emissie die zich over de galactische kern uitstrekt. De simulatie toonde aan dat de telescopen in staat zouden zijn om de heldere puntbronnen in de regio duidelijk te detecteren, zoals het supermassieve zwarte gat in het centrum, evenals de zwakke, wijdverspreide gloed van de Ridge zelf. Cruciaal was dat de simulatie aantoonde dat de instrumenten het licht van het zwarte gat en andere compacte objecten konden scheiden van de brede, diffuse achtergrond, een taak die voor andere observatoria moeilijk is gebleken door de verwarring van overlappende signalen.

Het meest significante deel van deze simulatie was het testen van een specifieke mysteries: hoe hoog in energie gaan de deeltjes in het Galactisch Centrum? Sommige theorieën suggereren dat de regio "PeVatrons" bevat, natuurlijke versnellers die in staat zijn deeltjes te versnellen tot één miljoen miljard elektronvolt, of PeV-energieën. Als dit waar is, zou het spectrum van de gammastraling een scherpe daling, of cutoff, vertonen bij een specifieke hoge energie. De onderzoekers simuleerden de data die ze zouden verzamelen en analyseerden deze om te zien of ze deze cutoff konden opmerken. Hun resultaten wijzen erop dat de telescopen in staat zouden zijn om een cutoff te detecteren met een statistische significantie van tussen de twee en vier standaarddeviaties, afhankelijk van de exacte energie waar de daling optreedt. Dit betekent dat, hoewel de data misschien geen definitief, enkelvoudig bewijs is, het wel sterke aanwijzingen zou bieden om het bestaan van deze extreme versnellers te bevestigen of uit te sluiten. De studie suggereert dat de combinatie van een breed gezichtsveld en een hoge gevoeligheid deze telescopen uniek geschikt maakt om dit vraagstuk op te lossen.

Uiteindelijk benadrukt dit werk het potentieel van het verplaatsen van deze instrumenten naar het zuidelijk halfrond om de geheimen van de kern van ons sterrenstelsel te ontsluieren. De onderzoekers hebben aangetoond dat hun telescopen in staat zijn om hoogwaardige gegevens te leveren, zelfs onder minder ideale omstandigheden, en hun simulaties bevestigen dat een verplaatsing naar Argentinië hen in staat zou stellen om de morfologie en de energiespectra van het Galactisch Centrum met ongekende helderheid in kaart te brengen. Door onderscheid te maken tussen verschillende soorten stralingsbronnen en te zoeken naar de spectrale cutoff die de aanwezigheid van PeVatrons signaleert, beoogt de SST-1M collaboratie fundamentele vragen te beantwoorden over hoe het universum deeltjes naar hun hoogst mogelijke energieën versnelt. De weg vooruit houdt in dat de hardware wordt verplaatst naar een locatie waar het Galactisch Centrum een dominant kenmerk van de nachtelijke hemel is, waardoor een regio die voorheen moeilijk te bestuderen was, een primaire laboratorium voor hoogenergetische astrofysica wordt.