Przyspieszenie cząstek przy astrofizycznych falach uderzeniowych
Wysokoenergetyczne cząstki występują powszechnie we wszechświecie. Ich energie sięgają od megaelektornowoltów (MeV) w heliosferze do teraelektronowoltów (TeV) w pozostałościach supernowych. Przy niskich energiach są one wykrywane przez satelity, natomiast przy wysokich energiach docierają one do Ziemi w postaci promieniowania kosmicznego. Uważa się, że promieniowanie kosmiczne ma swoje źródło w potężnych wybuchach supernowych i GRB. Cząstki przyspieszane są na przedzie fali uderzeniowej, by następnie przedostawać się do ośrodka międzygwiazdowego. Mechanizmy tego uwalniania oraz rozchodzenia się promieniowania kosmicznego pozostają jednak nieznane. Na pytania te postanowili odpowiedzieć uczestnicy finansowanego ze środków UE projektu SHALOM (Explosive phenomena in the Universe: Gamma-ray bursts and supernova remnants as high-energy particle acceleration sites). Aby zbadać właściwości promieniowania kosmicznego, wykorzystano najnowsze obserwacje wykonane przez teleskop Fermi Large Area Telescope (LAT). Astrofizycy stworzyli mapę widma promieniowania gamma powstającego w wyniku rozpadu obojętnych pionów, czyli cząstek wytwarzanych za sprawą oddziaływania promieniowania kosmicznego z okolicznymi protonami. Następnie dostępne obserwacje porównano z przewidywaniami wynikającymi z modelowania. Opracowano kod symulacji metodą Monte Carlo, aby odtworzyć rozchodzenie się promieniowania kosmicznego w dysku galaktycznym. Zespół SHALOM uwzględnił również niejednorodny rozkład źródeł promieniowania kosmicznego oraz ruch ramion galaktyk, w których pozostałości supernowych są bardziej skupione. Ustalono, że nachylenie wykresu widma rozproszonego promieniowania gamma zmienia się znacząco jako funkcja długości i szerokości galaktycznych zarówno w obserwacjach, jak i modelowaniu. Astrofizycy wyjaśnili najważniejsze trendy jako wynik dynamiki ramio galaktyk. Ponadto, przeanalizowali obserwacje ponad stu GRB wykonane przez teleskop Fermi LAT. Celem było sprawdzenie, czy obserwowane wysokoenergetyczne promieniowanie ma swoje źródło w relatywistycznej fali uderzeniowej wywoływanej przez oddziaływanie z otaczającym ośrodkiem. Zespół SHALOM przeanalizował scenariusz, w którym obserwowana emisja zdominowana jest przez promieniowanie synchrotronowe związane z elektronami przyspieszonymi w fali uderzeniowej oraz promieniującymi w obecności wzmocnionych pól elektrycznych. Uczeni zwrócili jednak uwagę, że odwrócone promieniowanie komptonowskie jest również znaczącym elementem w kilku przypadkach. Porównanie przewidywań teoretycznych z obserwacjami teleskopu Fermi LAT pozwoliło na wyciągnięcie ciekawych wniosków, które opisano na łamach prestiżowych czasopism naukowych. Choć prace SHALOM skupiały się na pozostałościach gwiazd, mają one implikacje dla badania innych źródeł przyspieszonych cząstek promieniowania kosmicznego, takich jak aktywne jądra galaktyk.
Słowa kluczowe
Przyspieszenie cząstek, rozbłyski gamma, pozostałości supernowej, SHALOM, Fermi LAT, symulacja metodą Monte Carlo
