Magnetic rigidity reveals the PeVatron acceleration region in SS 433

Resumo Técnico: A Rigidez Magnética Revela a Região de Aceleração de PeVatrons em SS 433

Definição do Problema
Identificar PeVatrons Galácticos — aceleradores capazes de impulsionar partículas de raios cósmicos para energias na ordem de peta-elétron volts (PeV) — continua sendo um desafio central na astrofísica de altas energias. Embora remanescentes de supernovas sejam locais estabelecidos para a produção de raios cósmicos galácticos, observações de raios gama acima de dezenas de tera-elétron volts (TeV) indicam que fontes adicionais são necessárias para explicar o espectro até o "joelho" ($10^{15}$–$10^{16}$ eV). Jatos de microquasares, como os de SS 433, surgiram como candidatos convincentes devido à sua combinação de grande potência cinética e fluxos magnetizados e levemente relativísticos. Embora o Observatório de Chuvares de Ar de Alta Altitude LHAASO tenha detectado emissão de raios gama de ultra-alta energia ($>100$ TeV) na região SS 433/W50, implicando energias de prótons parentais na ordem de PeV, a localização específica dentro do sistema onde essas partículas são primeiramente aceleradas e injetadas permanece não resolvida. A emissão de $>100$ TeV é espacialmente coincidente com uma nuvem atômica e exibe uma morfologia quase isotrópica, contrastando com a emissão TeV bipolar resultante das interações jato-nuvem a jusante. Essa discrepância morfológica sugere que o local de aceleração difere das zonas de radiação a jusante, embora os atuais instrumentos de raios gama não consigam resolver o jato de rádio interno (em escalas de UA) onde tal aceleração pode se iniciar.

Metodologia
Para localizar a região de aceleração, os autores utilizaram observações de arquivo de múltiplas frequências do Very Long Baseline Array (VLBA) de SS 433 de 16 de junho de 1998, em 5, 8,4 e 15 GHz. O estudo focou no jato oriental (aproximante) para evitar a absorção por free-free que afeta o jato ocidental.

1. Processamento de Dados: Os dados de múltiplas frequências foram restaurados para um feixe circular comum ($\Theta_{maj} = 3,537$ mas) e registrados em um referencial comum usando posições de núcleo dependentes da frequência para compensar efeitos de deslocamento de núcleo (core-shift).
2. Fatiamento e Análise Espectral: Dez fatias transversais do jato, abrangendo distâncias deprojetadas de 24–75 UA (3,6–11,5 mas), foram analisadas. Para cada fatia, a densidade de fluxo local, a largura transversal desconvoluída pelo feixe e os índices espectrais de dois pontos foram medidos. Os espectros confirmaram emissão de sincrotron opticamente tênue na região média do jato.
3. Estimativa do Campo Magnético: Sob a suposição padrão de energia mínima (equipartição), a intensidade do campo magnético ($B_{eq}$) foi calculada para cada fatia. A análise considerou incertezas na densidade de fluxo, largura e índices espectrais via simulações de Monte Carlo e testou a sensibilidade à razão entre a energia das partículas não radiantes e das radiantes ($k$).
4. Limite de Hillas e Escalas de Tempo de Aceleração: Os autores construíram um perfil espacialmente resolvido do campo magnético $B(H)$ como uma função da distância $H$ em relação ao objeto compacto central. Eles avaliaram o limite de Hillas ponderado pela velocidade ($E_{H,\beta} \propto \beta_j Z e B R_{acc}$) para determinar se a rigidez magnética é suficiente para confinar prótons PeV. Eles também compararam a escala de tempo de aceleração ($t_{acc}$) contra o tempo de fluxo dinâmico ($t_{dyn}$) e tempos de escape de partículas para verificar se a aceleração pode ocorrer antes que as partículas sejam advectadas para longe.
5. Modelagem de Raios Gama: O espectro de LHAASO $>100$ TeV foi ajustado usando um modelo lepto-hadrônico (incorporando componentes de espalhamento Compton inverso e decaimento de pione) para inferir a energia máxima de próton ($E_{p,max}$) necessária para produzir a emissão observada.

Resultados Principais

• Perfil do Campo Magnético: O estudo derivou um perfil de campo magnético ao longo do jato interno declinando como $B(H) \propto H^{-0,50 \pm 0,12}$. Este declínio é significativamente mais raso do que a escala $H^{-1}$ esperada para um campo puramente toroidal em um jato cônico com velocidade constante, ou a escala $H^{-2}$ para um campo poloidal.
• Aumento da Rigidez Magnética: Como o campo magnético declina mais lentamente que $H^{-1}$, a rigidez magnética ($B \times R_{acc}$) para um jato cônico ($R_{acc} \propto H$) aumenta com a distância a jusante. Especificamente, $E_{H,\beta} \propto H^{0,50 \pm 0,12}$.
• Capacidade de Aceleração de PeV: A uma distância de $H \approx 100$ UA, a energia de Hillas ponderada pela velocidade atinge $\sim 2$ PeV. Em $H \approx 140$ UA, o limite atinge a faixa de alguns PeV, consistente com a energia de corte de próton ($E_{p,cut} \approx 2,63$ PeV) inferida do espectro de raios gama do LHAASO.
• Eficiência de Aceleração: A escala de tempo de aceleração para a aceleração de Fermi de primeira ordem próxima ao regime de Bohm é mais curta que o tempo de fluxo dinâmico ($t_{acc} < t_{dyn}$) nessas distâncias. Além disso, a razão $t_{acc}/t_{dyn}$ diminui a jusante, tornando a condição de aceleração progressivamente menos restritiva com a distância.
• Origem Eletrônica vs. Protônica: Os fortes campos magnéticos nos ejectas compactos causariam o resfriamento de elétrons PeV via radiação de sincrotron em escalas de tempo ($\sim 110$ s) muito mais curtas que o tempo de fluxo, descartando os ejecta compactos como o local para a emissão de Compton inverso de elétrons PeV. Isso apoia uma origem hadrônica para os raios gama de mais alta energia.
• Orçamento de Energia: Os campos magnéticos sub-gauss inferidos (0,20–0,35 G para $k=1$, potencialmente maiores para $k$ maiores) são energeticamente plausíveis, exigindo apenas uma pequena fração ($\sim 0,7\%$–$1,3\%$) da potência cinética total do jato.

Significância e Alegações
O artigo afirma revelar um "PeVatron oculto" dentro dos ejecta bariônicos do microquasar SS 433, localizado bem a montante dos lobos estendidos que emitem TeV. A principal significância reside na identificação dos ejecta de rádio compactos resolvidos (dezenas a centenas de UA) como a região específica onde prótons PeV são acelerados e injetados.

Os autores propõem um quadro de aceleração de múltiplas zonas:

1. Zona de Aceleração: O jato interno (ejecta compactos) atua como o acelerador, utilizando a crescente rigidez magnética para impulsionar prótons a energias de PeV.
2. Injeção e Radiação: Esses prótons acelerados escapam ou são advectados para a nebulosa W50 circundante, onde interagem com o gás de hidrogênio neutro (H I) via colisões $pp$ para produzir a observada emissão estendida de raios gama $>100$ TeV.
3. Zonas a Jusante: As regiões de interação jato-nuvem em escala de parsec (lobos) permanecem como o local para a aceleração de elétrons TeV de menor energia e reprocessamento, consistente com as observações do H.E.S.S.

Este trabalho fornece a primeira evidência direta ligando o perfil de rigidez magnética de um jato de microquasar à aceleração de prótons PeV, resolvendo a discrepância espacial entre o local de aceleração e a morfologia observada de raios gama de alta energia. Demonstra que os jatos de microquasares podem servir como PeVatrons galácticos eficientes, onde a aceleração ocorre profundamente dentro do fluxo relativístico, e não apenas nos choques terminais.