Úvodní strana  >  Články  >  Hvězdy  >  Výzkumy v ASU AV ČR (197): Urychlování částic ve výtryscích hmotných mladých hvězd

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

Malířova představa plynného akrečního disku kolem hmotné protohvězdy. Autor zachytil i protisměrné polární výtrysky v nichž je patrná vnitřní struktura
Autor: © ESO

Akreční disky, magnetická pole a s tím spojený vznik polárních výtrysků nejsou jen doménou aktivních galaktických jader. V menším měřítku takovou situaci najdeme u prakticky každé stálice ještě než se stane hvězdou. Anabella Araudo z ASU zjišťovala, jak je možné, že v takových systémech se pozoruje synchrotronové záření, svědčící pro přítomnost relativistických elektronů u těchto hvězdných nedochůdčat. 

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.



O autorovi

Michal Švanda

Michal Švanda

Doc. Mgr. Michal Švanda, Ph. D., (*1980) pochází z městečka Ždírec nad Doubravou na Českomoravské vrchovině, avšak od studií přesídlil do Prahy a jejího okolí. Vystudoval astronomii a astrofyziku na MFF UK, kde poté dokončil též doktorské studium ve stejném oboru. Zabývá se sluneční fyzikou, zejména dynamickým děním ve sluneční atmosféře, podpovrchových vrstvách a helioseismologií a aktivitou jiných hvězd. Pracuje v Astronomickém ústavu Akademie věd ČR v Ondřejově a v Astronomickém ústavu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze, kde se v roce 2016 habilitoval. V letech 2009-2011 působil v Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung v Katlenburg-Lindau v Německu. Astronomií, zprvu pozorovatelskou, posléze spíše „barovou“, za zabývá od svých deseti let. Slovem i písmem se pokouší o popularizaci oboru, je držitelem ceny Littera Astronomica. Před začátkem pracovní kariéry působil v organizačním týmu Letní astronomické expedice na hvězdárně v Úpici, z toho dva roky na pozici hlavního vedoucího. Kromě astronomie se zajímá o letadla, zejména ta s více než jedním motorem a řadou okýnek na každé straně. 

Štítky: Výtrysky, Protohvězda, Akreční disk, Astronomický ústav AV ČR


33. vesmírný týden 2022

33. vesmírný týden 2022

Přehled událostí na obloze a v kosmonautice od 15. 8. do 21. 8. 2022. Měsíc bude v poslední čtvrti a v konjunkcích s planetami a Plejádami. Planety Jupiter a Saturn můžeme pozorovat již kolem půlnoci, Mars a Venuši nejlépe ráno. Aktivita Slunce je nízká. Startovaly dva Falcony 9 se Starlinky a počet vypuštěných družic přesáhl 3 000 kusů. Probíhaly testy SuperHeavy a Starship a k vývozu se chystá superraketa SLS. Před 45 lety se na dlouhou pouť za velkými planetami a dál vydala sonda Voyager 2.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

ISS a Slnko

Titul Česká astrofotografie měsíce za červenec 2022 získal snímek „ISS a Slnko“, jehož autory jsou Miroslav Grnja a Zdeněk Bardon     První malé, druhé obrovské. I když pro nás i to první je obrovské. Jako fotbalový stadion. A to druhé? Celá Země by se do něho vešla na

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Neobvyklé tvary blesků

Bouřka severozápadně od Studénky Výboj blesků mezi mraky

Další informace »