Jak donosi artykuł w najnowszym numerze Science obserwatorium H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) odkryło trzy wyjątkowo jasne źródła promieniowania gamma najwyższych obserwowalnych energii w Wielkim Obłoku Magellana, bliskiej galaktyce karłowatej stowarzyszonej z Naszą Galaktyką. Jest to niezwykle ciekawe odkrycie, gdyż wszystkie te źródła są w jakiś sposób wyjątkowe, obejmują najjaśniejszą znaną mgławicę napędzaną wiatrem pulsarowym, najjaśniejszą w promieniowaniu gamma pozostałość po wybuchu supernowej, oraz tzw. superbąbel,  olbrzymią kulistą strukturę w ośrodku międzygwiazdowym o średnicy 270 lat świetlnych "wydmuchaną" przez masywne gwiazdy i supernowe. Dodatkowo są to ważne odkrycia, bo po raz pierwszy w historii odkryto w innej galaktyce związane z gwiazdami źródła promieniowania gamma o tak wysokiej energii, a wspomniany superbąbel reprezentuje nową klasę źródeł wysokoenergetycznego promieniowania gamma, nieobserwowaną w Naszej Galaktyce.

Wysokoenergetyczne promieniowanie gamma jest bezpośrednim śladem działania kosmicznych akceleratorów cząstek, często zresztą znacznie potężniejszych niż ziemski Wielki Zderzacz Hardonów w CERNie pod Genewą. W źródłach tego typu naładowane elektrycznie cząstki są przyspieszane do ekstremalnych energii, a kiedy zderzą się z kolei z fotonami lub atomami otaczającego gazu emitują promieniowanie wysokoenergetyczne, sięgające w omawianych tu przypadkach energii dziesiątek teraelektonowoltów (1 TeV = 10^12 eV). Wysokoenergetyczne promieniowanie gamma jest rejestrowane na Ziemi przy użyciu wielkich teleskopów optycznych z bardzo szybkimi kamerami rejestrującymi błyski światła Czerenkowa emitowanego przez pęki cząstek generowanych w górnych warstwach atmosfery przez wpadające fotony gamma.  Ulokowane w Namibii na południu Ziemi międzynarodowe obserwatorium H.E.S.S. składa się z 4 takich "średnich" teleskopów, o średnicach zwierciadeł 12 metrów, i jednego wielkiego o średnicy 28 metrów. Ten ostatni był budowany także z udziałem polskiego konsorcjum instytutów PAN i uniwersytetów, z udziałem UJ.

Wielki Obłok Magellana (WOM) to satelita naszej Drogi Mlecznej, niewielka galaktyka odległa o 170 tys. lat świetlnych, będąca przystanią wielu masywnych gromad gwiazd. Masywne gwiazdy są tworzone w WOM w ogromnym tempie, a częstotliwość wybuchów gwiazd jako supernowych jest pięciokrotnie wyższa niż w naszej galaktyce  - w 1987 roku została tam odkryta najmłodsza pozostałość po supernowej w lokalnej grupie galaktyk, widoczna wtedy na południowej półkuli nawet gołym okiem. W związku z tym w obserwatorium  H.E.S.S. zdecydowano poświęcić znaczny czas na poszukiwanie wysokoenergetycznego promieniowania gamma z tej galaktyki. Przez ponad 200 godzin - tylko w bezchmurne i bezksiężycowe noce - H.E.S.S. obserwował tam największy rejon formowania gwiazd, nazywany Mgławicą Tarantula. W rezultacie dokonano prezentowanych w artykule w Science odkryć: po  raz pierwszy w galaktyce poza Drogą Mleczną zarejestrowano trzy różne, bardzo energetyczne akceleratory cząstek, będące źródłami wysokoenergetycznego promieniowania gamma.

Obraz optyczny nieba z widoczną Drogą Mleczną oraz Obłokami Magelana i powiększenie obserwowanego w podczerwieni Wielkiego Obłoku Magellana z mapą emisji gamma uzyskaną przez obserwatorium H.E.S.S. (Milky Way image: © H.E.S.S. Collaboration, optical: SkyView, A. Mellinger; LMC image: © H.E.S.S. Collaboration, http://dirty.as.arizona.edu/~kgordon/research/mc/mc.html, H_α: R. Kennicutt, J.E. Gaustad et al. (2001), optical (B-band): G. Bothun).

Superbąbel 30 Dor C był wcześniej znany jako wielka, prawie kulista struktura jasno świecąca w promieniowaniu rentgenowskim. Jak się wydaje wytworzona ona została przez kilka supernowych, które wybuchły w ostatnich kilkudziesięciu tysiącach lat, oraz przez silne wiatry z widocznych tam młodych gwiazd. Obecne wyniki H.E.S.S. wykazują, że skoro takie struktury są również silnymi źródłami twardego promieniowania gamma, to muszą być bąblami promieniowania kosmicznego, czyli przyspieszonymi wysokoenergetycznymi cząstkami.

Pulsary to szybko obracające się gwiazdy neutronowe obdarzone silnym polem magnetycznym,  które - oprócz wytwarzania impulsów radiowych -  generują relatywistyczne wiatry naładowanych wysokoenergetycznych cząstek i tak wytwarzają wokoło namagnesowaną mgławice pulsarowe. Najsłynniejszym z takich obiektów jest pulsar w Mgławicy Krab w naszej Galaktyce, jedno z najjaśniejszych źródeł promieniowania gamma na niebie. Odkryty obecnie przez H.E.S.S.'a w WOM pulsar PSR J0537-6910, napędzający mgławicę oznaczoną symbolem N157B, jest pod wieloma względami bliźniakiem pulsara w Krabie. Tylko, że mgławica N157B jest mniej więcej dziesięciokrotnie jaśniejsza od Mgławicy Krab, prawdopodobnie - jak wynika z modelowania tego obiektu - z powodu niższej wartości pola magnetycznego i o wiele intensywniejszego oświetlenia przez sąsiednie gwiazdy.

Z kolei trzeci z odkrytych obiektów, pozostałość po wybuchu supernowej N132D, jasna zarówno w zakresie radiowym i w podczerwieni, wydaje się być jednym z najstarszych i najpotężniejszych znanych obiektów tego typu emitujących bardzo wysokoenergetyczne promieniowanie gamma. Przy wieku tej struktury ocenianym z grubsza w przedziale 2500 - 6000 lat jest ona jaśniejsza od znanych pozostałości  po supernowych w naszej Galaktyce. Obecne odkrycie jest ważnym wynikiem naukowym także dlatego, że dotychczasowa teoria przewidywała, że fala uderzeniowa takiej nieco starszej pozostałości po supernowej powinna poruszać się zbyt wolno, aby w bardzo wydajny sposób przyspieszać cząstki. Teraz teorię będzie trzeba zrewidować!

Teleskopy obserwatorium H.E.S.S. działają od końca roku 2002, we wrześniu 2012 r. zespół H.E.S.S. uczcił zakończenie pierwszej dekady obserwacji, w trakcie której zebrano 9415 godzin obserwacji i wykryto 6361 milionów pęków atmosferycznych. Większość ze znanych 150 źródeł kosmicznych wysokoenergetycznego promieniowania gamma została odkryta przez zespół H.E.S.S. W 2006 r. zespół H.E.S.S. zdobył Nagrodę Kartezjusza Komisji Europejskiej, w 2010 r. nagrodę Rossiego Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego.  Układ teleskopów H.E.S.S. znalazł się na liście 10 najlepszych obserwatoriów światowych.

Współautorami opisanych powyżej odkryć obserwatorium H.E.S.S. są astrofizycy z Obserwatorium Astronomicznego UJ: dr Marek Jamrozy, prof. dr hab. Michał Ostrowski (email: michal.ostrowski@uj.edu.pl) i dr hab. Łukasz Stawarz. W Obserwatorium Astronomicznym prowadzone są też szerokie prace naukowe i inżynierskie przy budowie nowego światowego obserwatorium promieniowania gamma najwyższych energii - CTA.

Strony WWW:
Strona domowa H.E.S.S.: www.mpi-hd.mpg.de/HESS
Strona instrumentu H.E.S.S.: www.mpi-hd.mpg.de/HESS/pages/about/

Contact:

Prof. Dr. Werner Hofmann
MPI for Nuclear Physics, Heidelberg
E-mail: werner.hofmann@mpi-hd.mpg.de
phone: +496221 516330

Prof. Dr. Christian Stegmann (spokesperson of the H.E.S.S. collaboration)
DESY Zeuthen
E-mail: christian.stegmann@desy.de
phone: +4933762 77416

Mathieu de Naurois (deputy spokesperson of the H.E.S.S. collaboration)
CNRS/IN2P3 Palaiseau
E-mail: denauroi@in2p3.fr
phone: +33 1 69 33 55 97