Penulis fiksi ilmiah Arthur C. Clarke memilih sendiri tujuh keajaiban dunia dalam serial televisi BBC pada tahun 1997. Satu-satunya objek astronomi yang ia sertakan adalah SS 433. Objek tersebut sudah menarik perhatian pada akhir tahun 1970-an karena emisi sinar-X yang dimilikinya. dan kemudian ditemukan berada di pusat nebula gas yang dijuluki nebula manatee karena bentuknya yang unik menyerupai mamalia air tersebut.
SS 433 adalah sistem bintang biner di mana sebuah lubang hitam, dengan massa kira-kira sepuluh kali lipat Matahari, dan sebuah bintang, dengan massa yang sama tetapi menempati volume yang jauh lebih besar, mengorbit satu sama lain dengan jangka waktu 13 hari. Medan gravitasi yang kuat dari lubang hitam merobek material dari permukaan bintang, yang terakumulasi dalam piringan gas panas yang memberi makan lubang hitam. Saat materi jatuh menuju lubang hitam, dua pancaran partikel bermuatan (plasma) yang terkolimasi diluncurkan, tegak lurus terhadap bidang piringan, dengan kecepatan seperempat kecepatan cahaya.
Pancaran SS433 dapat dideteksi dalam jangkauan radio hingga sinar-X hingga jarak kurang dari satu tahun cahaya di kedua sisi bintang biner pusat, sebelum menjadi terlalu redup untuk dilihat. Namun yang mengejutkan, pada jarak sekitar 75 tahun cahaya dari lokasi peluncurannya, jet-jet tersebut terlihat tiba-tiba muncul kembali sebagai sumber sinar-X yang terang. Alasan kemunculan kembali hal ini telah lama kurang dipahami.
Pancaran relativistik serupa juga diamati berasal dari pusat galaksi aktif (misalnya quasar), meskipun pancaran ini berukuran jauh lebih besar daripada pancaran galaksi SS 433. Karena analogi ini, objek seperti SS 433 diklasifikasikan sebagai mikroquasar.
Hingga saat ini, belum ada emisi sinar gamma yang terdeteksi dari mikroquasar. Namun hal ini berubah pada tahun 2018, ketika Observatorium Sinar Gamma Cherenkov Air Ketinggian Tinggi (HAWC), untuk pertama kalinya, berhasil mendeteksi sinar gamma berenergi sangat tinggi dari pancaran SS 433. Artinya, ada partikel di suatu tempat di dalam pancaran tersebut. dipercepat hingga mencapai energi ekstrim. Meskipun telah dilakukan penelitian selama beberapa dekade, masih belum jelas bagaimana atau di mana partikel dipercepat dalam pancaran astrofisika.
Studi tentang emisi sinar gamma dari mikroquasar memberikan satu keuntungan penting: walaupun pancaran SS 433 50 kali lebih kecil dibandingkan galaksi aktif terdekat (Centaurus A), SS 433 terletak di dalam Bima Sakti seribu kali lebih dekat ke Bumi. . Akibatnya, ukuran pancaran SS 433 di langit jauh lebih besar sehingga sifat-sifatnya lebih mudah dipelajari dengan teleskop sinar gamma generasi saat ini.
Didorong oleh deteksi HAWC, Observatorium HESS memulai kampanye observasi sistem SS 433. Kampanye ini menghasilkan sekitar 200 jam data dan deteksi jelas emisi sinar gamma dari jet SS 433. Resolusi sudut teleskop HESS yang unggul dibandingkan dengan pengukuran sebelumnya memungkinkan para peneliti untuk menentukan dengan tepat asal usul sinar gamma. emisi dalam jet untuk pertama kalinya, memberikan hasil yang menarik:
Meskipun tidak ada emisi sinar gamma yang terdeteksi dari wilayah biner pusat, emisi tiba-tiba muncul di pancaran terluar pada jarak sekitar 75 tahun cahaya di kedua sisi bintang biner, sesuai dengan pengamatan sinar-X sebelumnya.
Namun, yang paling mengejutkan para astronom adalah pergeseran posisi emisi sinar gamma jika dilihat pada energi berbeda.
Foton sinar gamma dengan energi tertinggi lebih dari 10 teraelektron volt, hanya terdeteksi pada titik di mana pancaran sinar tersebut muncul kembali secara tiba-tiba. Sebaliknya, daerah yang memancarkan sinar gamma dengan energi lebih rendah muncul lebih jauh di sepanjang pancaran sinar gamma.
“Ini adalah pengamatan pertama mengenai morfologi yang bergantung pada energi dalam emisi sinar gamma dari pancaran astrofisika”, kata Laura Olivera-Nieto, dari Max-Planck-Institut für Kernphysik di Heidelberg, yang memimpin studi HESS tentang SS 433 sebagai bagian dari tesis doktoralnya. “Kami awalnya bingung dengan temuan ini. Konsentrasi foton berenergi tinggi di lokasi kemunculan kembali pancaran sinar-X berarti percepatan partikel yang efisien harus terjadi di sana, dan hal ini tidak diharapkan”.
Para ilmuwan melakukan simulasi ketergantungan energi yang diamati dari emisi sinar gammy dan mampu mencapai perkiraan kecepatan pancaran luar untuk pertama kalinya. Perbedaan antara kecepatan ini dan kecepatan peluncuran jet menunjukkan bahwa mekanisme yang mempercepat partikel lebih jauh adalah guncangan kuat – transisi tajam dalam sifat-sifat medium. Kehadiran kejutan juga akan memberikan penjelasan alami atas kemunculan kembali pancaran sinar-X, karena elektron yang dipercepat juga menghasilkan radiasi sinar-X.
“Ketika partikel-partikel cepat ini bertabrakan dengan partikel cahaya (foton), mereka mentransfer sebagian energinya – sehingga menghasilkan foton gamma berenergi tinggi yang diamati dengan HESS. Proses ini disebut efek Compton terbalik”, jelas Brian Reville, pemimpin kelompok kelompok Teori Plasma Astrofisika di Institut Max Planck untuk Fisika Nuklir di Heidelberg.
“Ada banyak spekulasi tentang terjadinya percepatan partikel dalam sistem unik ini – sekarang tidak lagi: hasil HESS benar-benar menunjukkan lokasi percepatan, sifat partikel yang dipercepat, dan memungkinkan kita menyelidiki pergerakan partikel tersebut. jet skala besar diluncurkan oleh lubang hitam” kata Jim Hinton, Direktur Institut Fisika Nuklir Max Planck di Heidelberg dan Kepala Departemen Astrofisika Non-termal.
“Beberapa tahun yang lalu, tidak terpikirkan bahwa pengukuran sinar gamma di darat dapat memberikan informasi tentang dinamika internal sistem seperti itu” tambah rekan penulis Michelle Tsirou, peneliti pascadoktoral di DESY Zeuthen.
Namun, tidak ada yang diketahui tentang asal muasal guncangan di lokasi kemunculan kembali jet tersebut. “Kami masih belum memiliki model yang dapat menjelaskan secara seragam seluruh sifat jet, karena belum ada model yang memprediksi fitur ini” jelas Olivera-Nieto. Dia ingin mengabdikan dirinya untuk tugas berikutnya – sebuah tujuan yang berharga, karena kedekatan relatif SS 433 dengan Bumi menawarkan kesempatan unik untuk mempelajari terjadinya percepatan partikel dalam jet relativistik. Diharapkan bahwa hasilnya dapat ditransfer ke galaksi aktif dan quasar aktif yang berukuran ribuan kali lebih besar, yang akan membantu memecahkan banyak teka-teki mengenai asal usul sinar kosmik paling energik.