Gigantyczny balon zajrzał w serce Drogi Mlecznej. Złapał tajemniczą poświatę

To nie był teleskop na orbicie, wielka misja za miliardy dolarów ani zdjęcie centrum Galaktyki w kolorach, które świetnie wyglądają na ekranie jako tapeta. Kamera gamma została podwieszona pod balonem i wysłana wysoko nad Australię. W ciągu jednego lotu eksperyment SMILE-2+ zarejestrował nadwyżkę promieniowania gamma z regionu centrum Drogi Mlecznej. Sygnał miał istotność 7,9 sigma i pochodził z pasma 150-600 keV, czyli z jednego z najbardziej kłopotliwych zakresów współczesnej astronomii.

Centrum Drogi Mlecznej jest jednym z najgęstszych i najbardziej zapylonych regionów naszej Galaktyki. W świetle widzialnym bardzo wiele zakrywa pył, ale wysokoenergetyczne promieniowanie potrafi zdradzić procesy, których zwykły teleskop nie pokaże.

Nowy pomiar dotyczy przede wszystkim promieniowania gamma w paśmie sub-MeV. To zakres między klasyczną astronomią rentgenowską a wyższymi energiami gamma. W teorii jest niezwykle cenny, bo można w nim szukać śladów procesów jądrowych, oddziaływania promieni kosmicznych z materią międzygwiazdową, emisji rozproszonej i promieniowania związanego z anihilacją elektronów oraz pozytonów.

Tak naprawdę jest to jednak koszmar obserwacyjny. Promieniowanie gamma trudno skupić soczewką albo lustrem, atmosfera przeszkadza, a detektor sam produkuje mnóstwo tła. Dlatego przez dekady ten fragment widma był jednym z najsłabiej rozpoznanych okien na Wszechświat. I właśnie tutaj pojawia się SMILE-2+.

Instrument wykorzystany w eksperymencie to ETCC, czyli electron-tracking Compton camera. W zwykłej kamerze chcemy przede wszystkim wiedzieć, skąd przyleciało światło. W przypadku promieniowania gamma nie jest to takie proste. Foton gamma wpada do detektora, rozprasza się na elektronie, a dopiero potem zostawia dalszy ślad energii. Klasyczna kamera Comptona potrafi z tego odtworzyć możliwy stożek kierunków, ale nadal ma problem z dokładnym przypisaniem zdarzenia do punktu na niebie.

ETCC robi coś więcej, bo śledzi również tor odrzuconego elektronu. Dzięki temu z jednego zdarzenia można odtworzyć znacznie pełniejszą geometrię rozproszenia i lepiej odsiać tło. Autorzy pracy podkreślają, że chodzi o podejście bliższe liniowej, obrazowo-spektroskopowej obserwacji znanej z bardziej klasycznych teleskopów. Krótko mówiąc: kamera nie tylko stwierdza, że coś w nią trafiło. Próbuje zrekonstruować całą małą scenę zderzenia.

SMILE-2+ wyleciał 7 kwietnia 2018 r. z Alice Springs w Australii. Według opisu projektu lot poziomy trwał około 26 godzin, a instrument po misji odzyskano w dobrym stanie. Kamera ETCC miała gazowy detektor śledzący o objętości 30 x 30 x 30 cm oraz otaczające go scyntylatory, które rejestrowały rozproszone fotony gamma.

Wcześniejsze analizy pokazały już, że podczas tego lotu udało się wykryć Mgławicę Kraba w zakresie 0,15-2,1 MeV oraz zauważyć w krzywej blasku wzmocnienie zdarzeń związanych z regionem centrum Galaktyki. Nowy paper pokazuje jednak wykrycie emisji gamma z centrum Drogi Mlecznej w zakresie 150-600 keV za pomocą mapowania obrazowego, z nadwyżką 7,9 sigma.

Nie chodzi tylko o to, że liczba zliczeń wzrosła, gdy centrum Galaktyki przechodziło przez pole widzenia. Chodzi o to, że z danych dało się zbudować mapę i wyciągnąć sygnał z konkretnego regionu nieba.

Centrum Drogi Mlecznej ma kilka różnych zagadek wysokoenergetycznych. Jest znany od lat nadmiar promieniowania gamma w zakresie GeV, o którym pisaliśmy wcześniej w tekście: W centrum Drogi Mlecznej coś się świeci. Astronomowie wyrzucili z równania światło gwiazd i nie zgadzają im się wyliczenia. Tam gra toczy się m.in. o ciemną materię i pulsary milisekundowe.

Tu mówimy o znacznie niższych energiach, w zakresie sub-MeV, oraz o obserwacjach, które zahaczają o problem emisji rozproszonej i okolic 511 keV. Ta energia jest szczególna, bo odpowiada anihilacji elektronu z pozytonem. Pozyton to antycząstka elektronu; kiedy obie cząstki się spotykają, mogą zniknąć, zamieniając energię w fotony gamma.

Nie znaczy to jednak, że nowy wynik samodzielnie rozwiązuje zagadkę antymaterii w centrum Drogi Mlecznej. Zespół wykrył emisję gamma z regionu centrum Galaktyki w paśmie 150-600 keV i porównał otrzymane natężenie z wcześniejszymi pomiarami innych eksperymentów. To nadal dużo, bo dokładnie ten zakres energii był przez lata obserwacyjnie wyjątkowo niewygodny.

W astronomii czasem wielkim przełomem nie jest odkrycie nowego obiektu, lecz pokazanie, że da się mierzyć znane zjawisko lepiej, czyściej i inną techniką. SMILE-2+ właśnie to robi.

Centrum Galaktyki widziały już wcześniej inne instrumenty, m.in. COMPTEL czy INTEGRAL. Główny problem polegał na tym, że pomiar rozproszonego promieniowania w paśmie MeV wymaga bardzo dobrej kontroli tła. Balonowy detektor leci wysoko, ale nadal nie jest w idealnych warunkach kosmicznych. Musi oddzielić sygnał z nieba od promieniowania atmosferycznego, instrumentalnego i całej reszty bałaganu.

Przeczytaj także:

Kamera ETCC pomaga, bo wykorzystuje informację o kierunku odrzuconego elektronu. Dzięki temu można precyzyjniej określać, które zdarzenia naprawdę wyglądają jak fotony gamma nadlatujące z badanego obszaru nieba, a które są tylko tłem. Oficjalny opis projektu SMILE podkreśla, że SMILE-2+ powstał właśnie po to, by sprawdzić, czy ETCC nadaje się do przeglądów nowych źródeł gamma oraz obserwacji regionu centrum Galaktyki.

Najnowszy wynik jest więc czymś w rodzaju testu bojowego. Pokazuje, że taka kamera może pracować nie tylko w laboratorium i nie tylko na prostym źródle kalibracyjnym, lecz także na prawdziwym, rozmytym i trudnym obszarze nieba.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI