Revisiting the XMM-Newton Observations of the Galactic Microquasar SS 433: Implications for the Origin of the Ultrahigh-Energy Emission Detected by LHAASO

Enunciado do Problema
O Observatório de Chuva de Ar em Alta Altitude de Grande Escala (LHAASO) detectou recentemente emissão de raios gama de ultra-alta energia (UHE; $E > 100$ TeV) do microquasar galáctico SS 433, identificando-o como um potencial candidato a PeVatron. No entanto, a origem desta emissão UHE permanece debatida. Dois cenários primários são considerados: uma origem leptônica envolvendo espalhamento Compton inverso (IC) de fótons ambientais por elétrons acelerados a energias de PeV próximos às bases dos jatos, ou uma origem hadrônica envolvendo interações $pp$ entre prótons relativísticos e uma nuvem atômica associada. Distinguir entre estes cenários requer observações de raios X de alta resolução para restringir a população de elétrons, a força do campo magnético e os locais de aceleração, uma vez que os mesmos elétrons responsáveis pelos raios gama por IC também devem emitir raios X por sincrotron.

Metodologia
Os autores reanalisaram oito observações arquivadas do XMM-Newton cobrindo os jatos bipolares e a concha de raios X térmica do norte de SS 433.

• Redução de Dados: Usando o Sistema de Análise de Ciência (SAS) do XMM-Newton e o Software de Análise de Fonte Estendida (ESAS), a equipe processou dados do EPIC-MOS e PN, filtrando flares de prótons moles e modelando o fundo de partículas quiescente.
• Imagem e Análise Espectral: Eles geraram imagens corrigidas de exposição em três bandas de energia (0,4–1,25 keV, 1,25–2,0 keV e 2,0–7,2 keV) para distinguir componentes térmicos e não térmicos. Perfis espectrais espacialmente resolvidos de intensidade e índice de fóton foram derivados ao longo dos jatos leste e oeste através da extração de espectros de regiões retangulares alongadas perpendiculares ao eixo do jato. Espectros de fundo do céu foram extraídos de regiões livres de fonte para restringir os modelos.
• Modelagem:
  • Modelagem Leptônica de Estado Estacionário: Os autores modelaram a população de elétrons em cada bin espacial como uma lei de potência quebrada. Eles testaram duas configurações de campo magnético: um campo uniforme e perfis de conservação de fluxo ($B \propto R^{-1}$ ou $B \propto R^{-2}$) baseados na expansão do jato. Eles calcularam os espectros de raios X por sincrotron e $\gamma$-raios por IC resultantes (considerando os campos de fótons CMB e FIR) para comparar com os dados do LHAASO e H.E.S.S.
  • Transporte de Elétrons: Eles simularam a propagação de elétrons assumindo injeção apenas nas bases dos jatos, incorporando o resfriamento radiativo e adiabático, para testar se isso poderia reproduzir a evolução da intensidade e do espectro observados, incluindo o rebrilho de nós a jusante.
  • Análise da Concha Norte: Eles analisaram a concha térmica de raios X do norte (identificada como um remanescente de supernova, SNR) para emissão não térmica para avaliar sua contribuição potencial para o sinal UHE via aceleração de choque de SNR ou processos hadrônicos.

Principais Contribuições e Resultados

• Perfis Espacialmente Resolvidos: O estudo derivou perfis radiais detalhados de intensidade não térmica e índice de fóton para ambos os jatos. Os resultados confirmam que a emissão do jato suaviza com a distância da fonte, implicando uma população de elétrons em evolução. Notavelmente, um componente eletrônico duro (índice de fóton $\Gamma \sim 1,45$) é detectado próximo às bases dos jatos.
• Restrições de Modelagem Leptônica:
  • Sob uma suposição de campo magnético uniforme, o componente eletrônico duro perto das bases dos jatos pode reproduzir a emissão UHE do LHAASO via radiação IC.
  • No entanto, sob configurações de campo magnético de conservação de fluxo (onde o campo decai conforme o jato se expande), a força do campo magnético necessária nas regiões internas torna-se significativamente maior ($B_0 \sim 45\text{--}245$ $\mu$G). Este campo forte suprime a emissão IC do jato interno, levando a um espectro de $\gamma$-raios mais suave que falha em corresponder aos dados UHE observados.
  • Os autores observam que o grau deste descompasso depende do perfil de raio transversal do jato $R(z)$ assumido. O uso de um perfil derivado da morfologia de raios X não térmicos (em vez de contornos de raios X mais suaves) alivia a discrepância, mas não a resolve totalmente.
• Limitações do Transporte de Elétrons: Simulações de transporte de elétrons mostram que a injeção exclusivamente nas bases dos jatos não pode reproduzir os perfis de intensidade de raios X observados, particularmente as características de rebrilho a jusante (nós). Mesmo com a amplificação local do campo magnético nos nós, o modelo falha em explicar o rebrilho sem introduzir mecanismos adicionais de injeção ou reaceleração dentro dos jatos.
  A Concha Norte e Origem Hadrônica: A análise da concha térmica do norte revelou nenhuma emissão significativa de raios X não térmica, estabelecendo um limite superior para o campo magnético ($\lesssim 9$ $\mu$G). Cálculos da energia máxima de elétrons atingível pelo choque da SNR (limitada pela idade e resfriamento) resultam em um máximo de $\sim 20$ TeV, muito abaixo dos $\sim 300\text{--}400$ TeV necessários para produzir $\gamma$-raios $>100$ TeV via espalhamento IC. Consequentemente, o choque da SNR é improvável de ser a fonte da emissão leptônica UHE. Uma origem hadrônica envolvendo prótons de PeV interagindo com a nuvem atômica permanece uma alternativa viável.

Significância e Alegações
O artigo conclui que, embora as observações de raios X forneçam restrições críticas, elas ainda não confirmam definitivamente uma origem leptônica para a emissão UHE de SS 433.

• A presença de um componente eletrônico duro perto das bases dos jatos é consistente com uma origem leptônica apenas se o campo magnético permanecer aproximadamente uniforme, uma condição fisicamente incerta.
• Perfis de campo magnético realistas que conservam o fluxo tendem a suprimir a necessária emissão IC, sugerindo que um modelo leptônico de zona única pode ser insuficiente.
• A incapacidade dos modelos de transporte de injeção única de explicar a evolução espacial dos jatos implica a necessidade de locais adicionais de injeção de partículas ou reaceleração.
• O estudo enfatiza que os dados atuais de raios X sozinhos não podem confirmar que os elétrons atingem as energias de PeV necessárias para a emissão UHE, já que os fótons de raios X mais altos detectados ($\sim 7$ keV) podem ser produzidos por elétrons com energias bem abaixo de 100 TeV em campos magnéticos fortes.
• Os autores afirmam que a emissão UHE provavelmente requer um componente espectral adicional além do modelo leptônico padrão do jato, embora sua origem específica (leptônica vs. hadrônica) permaneça incerta. Eles destacam a necessidade de futuras observações UHE de alta resolução angular (por exemplo, por LACT, ASTRI-Mini ou CTA) para localizar o local de produção e resolver a origem da emissão.