Výzkumy v ASU AV ČR (197): Urychlování částic ve výtryscích hmotných mladých hvězd

Hvězdy vznikají gravitačním kolapsem obřích hustých molekulových mračen. V určité fázi vývoje se gravitační kolaps probíhající „ze všech směrů“ do středu změní na akreci látky na centrální hvězdný zárodek – protohvězdu – z ploché struktury, výrazného prachoplynného disku. Protože jsou u protohvězd běžně přítomna organizovaná magnetická pole, stejně jako v případě aktivních galaktických jader zde mohou být kolimovány urychlené částice do polárních výtrysků – jetů. Výtrysky částic urychlených magnetickým polem na rychlosti 300 a 1500 km/s se zařezávají do okolního molekulárního plynu a strhávají je s sebou. 

Charakteristické projevy těchto výtrysků pozorujeme u mnoha mladých hvězd na obloze. Jejich rádiové záření je ve většině případů tepelného původu. Některé z výtrysků spojované především s hmotnějšími protohvězdami však vykazují i netermální komponentu rádiového záření. Rádiová emise je polarizovaná a má záporný spektrální index – to vše jsou indikátory synchrotronového záření, které v magnetických polích vyvolávají slabě relativistické až relativistické elektrony v jetu. V okolí protohvězd se relativistické částice ovšem běžně neočekávají. 

V polárních výtryskách vznikají nestability a rázové vlny, které mohou být vhodným prostředím k velmi účinnému urychlování elementárních částic. Tyto procesy se pozorují v celé řadě astrofyzikálních procesů od slunečních erupcí až po periférie galaktických kup. Magnetická turbulence poblíž rázové vlny umožňuje částicím opakovaně se odrážet tam a zpět a tak se urychlovat. Maximální možná energie, kterou mohou částice v tomto procesu získat, je obvykle ohraničena zářivými ztrátami nebo odtokem látky z akcelerační oblasti. V prostředí, kde není látka zcela ionizována (což je typicky právě situace v protohvězdných jetech) snižuje tuto maximální energii ještě vlnění magnetického pole. Na druhou stranu, některé práce ukazují, že za určitých podmínek se mohou v turbulentním plazmatu v magnetickém poli objevit nerezonanční vlny. Ty mohou narůst výrazně rychleji než vlny rezonanční, které jsou v plazmatu běžné, a vedou k výše zmíněnému útlumu urychlovacího mechanismu. Nerezonanční nestabilita může lokálně zesílit magnetické pole o mnoho řádů a současně se tyto neobvyklé vlny příliš netlumí srážkami částic. Mohly by se tak stát dobrých mechanismem podporující vznik prostředí, v němž se i v podmínkách protohvězdných jetů objeví synchrotronové záření. 

Anabella Araudo pracující mimo jiné pro Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU v představované práci spolu se svými spolupracovníky studovala, zda naznačený řetězec fyzikálních procesů a mechanismů skutečně může vést až k vzniku tak intenzivního synchrotronového záření, že by mohlo být pozorované současnými astronomickými přístroji. To, že v protohvězdných polárních výtryscích vzniká rádiová emise jak tepelného tak synchrotronového původu značí, že se v těchto výtryscích vyskytují rázové vlny, které plazma ohřívají. Současně to znamená, že místa s původem rádiové emise jsou přinejmenším částečně ionizována. A také, že jsou zde přítomna magnetická pole s intenzitou alespoň 1-10 mG potřebná k vysvětlení synchrotronového záření. 

Autoři v článku zkonstruovali na základě škálovacích zákonů a fyzikálních úvah rozumné a podložené odhady parametrů prostředí v polárních výstryscích hmotných protohvězd. To umožnilo mimo jiné určit, jaké typy vln by mohlo takové prostředí podporovat ve vzniku a šíření. Tyto úvahy byly použity pro interpretaci pozorování synchrotronového záření u 11 hmotných mladých hvězdných objektů známých z literatury. Potřebná magnetická pole k produkci synchrotronového záření jsou skutečně výrazně silnější, než se dá u těchto objektů očekávat na základě adiabatické komprese rázovými vlnami. Svazkové nestability kosmického záření mohou v tomto prostředí vyvolat poruchy magnetického pole potřebné k urychlování částic. Následně se zde mohou excitovat nerezonanční nestability, které dále zesilují magnetické pole. 

Z výsledků lze dovodit, že maximální energie urychlených protonů mohou dosahovat až na hodnotu 0,1 TeV, což jsou energie dostatečné k tomu, aby se hmotné mladé hvězdné objekty staly dokonce zdrojem záření v oboru gama. Toto je zcela nový výsledek otevírající nové okno do výzkumu protohvězd. Autoři na základě toho učinili předpověď, že toto gama záření by mělo být přinejmenším u několika uvažovaných reálných objektů detekovatelné družicí Fermi. Teoretické úvahy Anabelly Araudo a jejích kolegů jsou tak přímo testovatelné současnými přístroji. Autoři dodávají, že se tyto objekty také stanou zajímavými cíli pro vznikající síť dalekohledů CTA (Cherenkov Telescope Array). 

Nová pozorování v budoucnosti tedy mohou principiálně přinést zcela nový vhled na vznik hvězd a do procesů, které jsou s tímto velmi důležitým stádiem hvězdného vývoje spojeny. 

REFERENCE

A. Araudo a kol., Particle acceleration and magnetic field amplification in massive young stellar object jets, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 504 (2021) 2405-2419, preprint arXiv:2102.11583

KONTAKT

Dr. Anabella T. Araudo
anabella.araudo@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.