Результаты, полученные 16 ноября обсерваторией LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory), позволили решить загадку, которая мучила учёных несколько десятилетий. Речь идёт о спектре энергии космических лучей, который демонстрирует резкое снижение их количества при энергии выше 3 ПеВ, что придаёт спектру необычную форму, напоминающую «колено».
Причина появления «колена» оставалась неясной с момента его открытия почти 70 лет назад. Учёные предполагали, что оно связано с пределом ускорения астрофизических источников космических лучей и отражает переход спектра энергии космических лучей от одного степенного распределения к другому.
Однако два недавних исследования, опубликованные в журналах National Science Review и Science Bulletin, демонстрируют, что микроквазары, движимые системой аккреции чёрной дыры, являются мощными ускорителями частиц в Млечном Пути и, вероятно, являются источником «колена». Исследования также углубляют наше понимание экстремальных физических процессов в системах чёрных дыр.
Исследования проводились учёными из следующих институтов:
* Институт физики высоких энергий Китайской академии наук (CAS);
* Нанкинский университет;
* Университет науки и технологий Китая CAS;
* Университет Ла Сапиенца в Риме;
* другие учреждения.
Чёрные дыры, одни из самых загадочных объектов во Вселенной, генерируют релятивистские струи, когда аккумулируют материал от звёзд-компаньонов в двойных системах, формируя микроквазары. В этом исследовании LHAASO впервые систематически обнаружила ультравысокоэнергетические гамма-лучи от пяти микроквазаров:
* SS 433;
* V4641 Sgr;
* GRS 1915+105;
* MAXI J1820+070;
* Cygnus X-1.
В частности, было обнаружено, что ультравысокоэнергетическое излучение от SS 433 перекрывается с гигантским атомным облаком, что убедительно свидетельствует о том, что протоны высоких энергий ускоряются чёрной дырой и сталкиваются с окружающим веществом.
Энергия протонов в этой системе превысила 1 ПеВ, а общая мощность составила примерно 10^32 джоулей в секунду, что эквивалентно энергии, выделяемой четырьмя триллионами самых мощных водородных бомб в секунду. Энергия гамма-излучения от V4641 Sgr достигла 0,8 ПеВ, что делает его ещё одним «супер-ускорителем частиц ПеВ», в то время как родительские частицы, генерирующие эти гамма-лучи, имели энергию свыше 10 ПеВ.
Эти результаты доказывают, что микроквазары являются значительными ускорителями частиц ПеВ в Млечном Пути, решая давнюю проблему в науке. В то время как остатки сверхновых исторически признавались источниками космических лучей, как наблюдения, так и теоретические исследования показали, что они не могут ускорять космические лучи до энергий «колена» и выше.
Для полного понимания этого явления необходимы точные измерения энергетических спектров различных видов космических лучей, включая их соответствующие «колена». Первым шагом является измерение энергетического спектра лёгких ядер — протонов. Однако космические лучи в области «колена» редки, а детекторы спутников имеют ограниченную чувствительность, что затрудняет обнаружение.
В наземных косвенных измерениях частиц космических лучей невозможно избежать атмосферных помех. Это затрудняет различение протонов от других ядер. Долгое время считалось, что такое измерение невозможно.
Однако, используя своё ведущее в мире оборудование для наземных наблюдений за космическими лучами, LHAASO разработала многопараметрические методы измерения и отобрала большую статистическую выборку протонов высокой чистоты, что позволило провести точные измерения их энергетического спектра с точностью, сопоставимой с экспериментами спутников. Это измерение выявило структуру энергетического спектра, которая была совершенно неожиданной, чётко демонстрируя наличие нового «высокоэнергетического компонента» вместо простого перехода между степенными спектрами.
Новые находки LHAASO вместе с низкоэнергетическим компонентом, измеренным космическим экспериментом AMS-02, и промежуточным энергетическим компонентом, измеренным экспериментом DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), выявили существование множества ускорителей в Млечном Пути, каждый из которых обладает уникальными возможностями ускорения и энергетическим диапазоном. «Колено» представляет собой предел ускорения источников, ответственных за генерацию высокоэнергетического компонента.
Комплексная структура спектра энергии протонов указывает на то, что протоны космических лучей в диапазоне энергий ПеВ в основном происходят из «новых источников», таких как микроквазары, которые имеют предел ускорения значительно выше, чем у остатков сверхновых. Это позволяет им генерировать космические лучи высоких энергий, превышающие «колено».
Эти два открытия поддерживают друг друга, представляя всеобъемлющую научную картину. Это не только знаменует значительный прогресс в решении давней загадки происхождения «колена», но и предлагает важные наблюдательные доказательства для понимания роли чёрных дыр в происхождении космических лучей.
Дизайн гибридной детекторной установки LHAASO позволяет обнаруживать источники космических лучей через ультравысокоэнергетические гамма-лучи, одновременно обеспечивая точное измерение частиц космических лучей вблизи Солнечной системы. Этот подход даёт представление о возможностях ускорения источников в диапазоне энергий ПеВ и спектральных характеристиках, которые они вносят в космические лучи. Впервые структура «колена» была связана с конкретным типом астрофизического источника — системой струй чёрных дыр.
LHAASO, разработанная, построенная и управляемая китайскими учёными, заняла лидирующие позиции в исследованиях космических лучей высоких энергий благодаря своей чувствительности как в гамма-астрономических исследованиях, так и в точных измерениях космических лучей. Она добилась ряда открытий, которые оказали глобальное влияние, способствуя расширению наших знаний об экстремальных физических процессах во Вселенной.
Предоставлено Китайской академией наук.