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. 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. Více o autorovi na jeho webových stránkách svanda.astronomie.cz.

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


38. vesmírný týden 2021

38. vesmírný týden 2021

Přehled událostí na obloze a v kosmonautice od 20. 9. do 26. 9. 2021. Měsíc mění fázi od úplňku k poslední čtvrti. Večer je vidět nízko nad západem Venuše a poblíž jižního obzoru Jupiter a Saturn. Aktivita Slunce je nízká. Soukromá mise Inspiration4 čtveřice neprofesionálních astronautů je skutečným milníkem v komerční kosmonautice. Čínská mise Šen-čou 12 skončila. V souvislosti s nástupem satelitních mega-konstelací přijal sjezd ČAS rezoluci směrem k Vládě ČR o nutnosti novelizace práva využívání kosmického prostoru. Před 230 lety se narodil Johann Encke, po němž je pojmenována druhá periodická kometa a před 175 lety byl objeven Neptun.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

Bolid nad Laka

  Titul Česká astrofotografie měsíce za srpen 2021 obdržel snímek „Bolid nad Laka“, jehož autorem je Lukáš Veselý     Bolid nad Laka, to je poněkud tajemný název snímku, který astrofotograf Lukáš Veselý zaslal do soutěže Česká astrofotografie měsíce a vyhrál s ním

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Aktívna oblasť AR2871

Aktívna oblasť AR2871 vyprodukovala na Slnku ďalšiu erupciu.

Další informace »