1LHAASO J1852+0050u: GeV-100TeV Gamma-ray emission Powered by Star-forming Region?

Hoog boven de aarde, in de ijle lucht van het Tibetaanse plateau, wacht een enorme array van sensoren op iets buitengewoons. Deze sensoren maken deel uit van de Large High Altitude Air Shower Observatory, bekend als LHAASO, en zijn ontworpen om de zwakke, vluchtige signaturen van de meest energetische deeltjes in het universum op te vangen. Deze deeltjes, kosmische stralen genoemd, zijn atoomkernen die door de ruimte reizen met bijna de snelheid van het licht. Al bijna een eeuw lang vragen wetenschappers zich af waar deze deeltjes hun ongelooflijke snelheid vandaan halen. Hoewel sommige bekend zijn afkomstig van de gewelddadige explosies van stervende sterren, zijn de krachtigste deeltjes, die energieën bereiken die een miljoen keer hoger zijn dan wat onze krachtigste deeltjesversnellers kunnen creëren, een mysterie gebleven. Het vinden van de bron van deze "PeVatrons"—objecten die in staat zijn deeltjes te versnellen tot zulke extreme energieën—is een van de grote zoektochten in de moderne astronomie, aangezien het eindelijk de motoren zou onthullen die het hoogenergetische universum aandrijven.

In een recente studie richtten onderzoekers hun aandacht op een specifiek deel van de hemel in het sterrenbeeld Aartsengel (Aquila), waar een mysterieuze bron van hoogenergetische gammastraling was gespot. Deze bron, gecatalogiseerd als 1LHAASO J1852+0050u, is een uitgestrekt, diffuus gloed van straling die was gedetecteerd bij energieën die de honderd biljoen elektronvolt overstijgen. Het raadsel was het identificeren van wat deze gloed creëerde. De regio is overvol met bekende astronomische objecten, waaronder de resten van twee geëxplodeerde sterren en een snel draaiende neutronenster, bekend als een pulsar. Het team, geleid door onderzoekers van de LHAASO-collaboratie, zette zich af om te bepalen of een van deze bekende objecten de schuldige was, of dat er iets meer exotisch aan de hand was.

Om het mysterie op te lossen, combineerden de wetenschappers gegevens van meerdere telescopen. Ze heranalyseerden vier jaar aan observaties van LHAASO, die een gedetailleerde kaart boden van de hoogenergetische gammastraling, en koppelden dit aan zestien jaar aan gegevens van de Fermi-LAT-satelliet, die laagenergetische gammastraling observeert. Ze keken ook naar het onzichtbare moleculaire gas in de regio met behulp van radiotelescopen, wat de aanwezigheid van dichte wolken van gas en stof kan onthullen waar sterren worden geboren. Door deze verschillende beelden aan elkaar te naaien, waren de onderzoekers in staat om het zwakke signaal van de hoofdbron te scheiden van de schittering van haar buren. Ze ontdekten dat de gamma-gloed geen enkel punt is, maar een uitgebreid gebied dat overlapt met een bruisende kraamkamer van nieuwe sterren.

De eerste verdachte die het team overwoog, was een middeloude pulsar, een dichte, draaiende ster die ongeveer tweehonderdduizend jaar heeft gedraaid. Pulsars staan erom bekend wolken van hoogenergetische deeltjes te creëren die gammastraling kunnen uitzenden. Echter, toen de onderzoekers simulaties uitvoerden om te zien of deze specifieke pulsar de hoeveelheid energie kon genereren die werd waargenomen, kwamen de cijfers niet overeen. De pulsar had simpelweg niet genoeg vermogen om de heldere, hoogenergetische gloed verklaard door LHAO te verklaren. Het team keek ook naar de nabijgelegen resten van geëxplodeerde sterren, maar de afstanden en de specifieke soorten gas in de regio sloten hen uit als de primaire bron. Het bewijs wees weg van deze gewelddadige, explosieve oorsprong.

In plaats daarvan wezen de gegevens op een meer continue, maar eveneens gewelddadige proces: de geboorte van massieve sterren. De gamma-bron bevindt zich direct boven een dichte wolk van moleculair gas, wat de grondstof is voor stervorming. Binnen deze wolk ligt een specifiek gebied bekend als G34.26+0.15, een plek waar momenteel massieve sterren worden geboren. De onderzoekers ontdekten dat de laagenergetische gammastraling gedetecteerd door de Fermi-satelliet overeenkomt met de locatie van jonge, vormende sterren, terwijl de hoogste energie gamma-straling gedetecteerd door LHAASO samenvalt met de aanwezigheid van massieve, volgroeide sterren in hetzelfde cluster.

De wetenschappers stellen een tweeledige verklaring voor de straling voor. Ze suggereren dat de laagenergetische gammastraling wordt geproduceerd door protonen die versneld worden door de krachtige jets en uitstromingen van jonge, vormende sterren. Deze jonge sterren zijn nog bezig met het verzamelen van massa, en hun energetische activiteit roert het omliggende gas op, waardoor deeltjes tot hoge snelheden worden versneld. De hoogenergetische gammastraling, die honderd biljoen elektronvolt bereikt, wordt waarschijnlijk geproduceerd door nog krachtigere winden van de massieve, volwassen sterren in hetzelfde cluster. Deze massieve sterren blazen materiaal de ruimte in met enorme snelheden, waardoor schokgolven ontstaan die deeltjes kunnen versnellen tot de extreme energieën die nodig zijn om de waargenomen straling te produceren.

De studie concludeert dat deze stervormingsregio waarschijnlijk een "PeVatron" is, een natuurlijke deeltjesversneller die in staat is deeltjes te versnellen tot energieën die voorheen alleen werden toegeschreven aan de meest gewelddadige explosies. De onderzoekers schatten dat het cluster tussen de twintig en tweehonderd massieve sterren bevat, waarvan de gecombineerde winden de nodige energie leveren om deze hoogenergetische emissie in stand te houden. Hoewel ze de aanwezigheid van andere verborgen, onzichtbare pulsars in de regio niet volledig kunnen uitsluiten, wijst het bewijs sterk in de richting van de stervormingsregio als de dominante motor. Deze ontdekking voegt een nieuw hoofdstuk toe aan ons begrip van kosmische straling, en suggereert dat de chaotische, energetische kraamkamers waar sterren worden geboren, net zo goed in staat zijn om de meest energetische deeltjes van het universum te creëren als de catastrofale sterfprocessen van sterren.