Источник сверхмощных лучей найден в двойной системе с черной дырой

Группа астрономов под руководством Чжаодуна Ши из Университета науки и технологий Китая представила новое объяснение природы загадочного Пузыря Лебедя, гигантского облака сверхвысокоэнергетического гамма-излучения. Ученые предположили, что источником этого излучения является не звездное скопление, как считалось ранее, а микроквазар Лебедь X-3, расположенный гораздо дальше от Земли. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

На протяжении многих лет астрономы пытаются понять, какие именно космические объекты разгоняют частицы до чудовищных энергий, вплоть до петаэлектронвольт, что соответствует единице с пятнадцатью нулями. Такие ускорители называют галактическими певатронами, и найти их непросто, потому что они могут скрываться за разными обличьями: остатками взорвавшихся звезд, пульсарными туманностями, плотными звездными скоплениями или двойными системами.

Разогнанные частицы разлетаются в пространстве и начинают светиться гамма-лучами только тогда, когда сталкиваются с межзвездным газом, причем это может происходить на расстоянии сотен или даже тысяч световых лет от самого ускорителя. Именно такая ситуация, вероятно, сложилась с Пузырем Лебедя, одним из самых ярких гамма-объектов на небе, который до сих пор связывали с областью активного звездообразования Лебедь X, находящейся примерно в 4600 световых годах от нас.

Новое исследование предлагает пересмотреть эту точку зрения. Авторы работы обратили внимание на микроквазар Лебедь X-3, двойную систему, где компактный объект, черная дыра или нейтронная звезда, вытягивает вещество со своей обычной звезды-компаньона и выбрасывает мощные струи плазмы. Этот микроквазар расположен намного дальше, около 31 600 световых лет, и вращается по орбите с периодом всего 4,8 часа.

Интерес к нему подогрели недавние наблюдения китайской обсерватории LHAASO, которые показали, что Лебедь X-3 разгоняет частицы как минимум до 30 петаэлектронвольт, причем этот процесс четко синхронизирован с его орбитальным движением. Таким образом, система уже доказала свой статус «сверх-певатрона», то есть ускорителя экстремальных энергий.

Чтобы проверить, может ли этот микроквазар быть ответственным за Пузырь Лебедя, ученые создали компьютерную модель. В ней Лебедь X-3 выступает в роли непрерывного источника, который на протяжении сотен тысяч лет выбрасывает в космос потоки высокоэнергетических протонов. Постепенно эти частицы рассеиваются в окружающем газе и при редких столкновениях порождают те самые гамма-кванты, которые регистрируют земные детекторы.

Когда исследователи подобрали параметры модели, соответствующие реальным физическим условиям, она не только правильно воспроизвела общую яркость Пузыря Лебедя, но и точно описала, как эта яркость спадает от центра к краям. При этом оказалось, что микроквазару достаточно тратить на ускорение частиц всего один-три процента своей мощности, а скорость распространения частиц согласуется с независимыми теоретическими расчетами.

Если эта гипотеза подтвердится, Пузырь Лебедя станет еще одним примером гамма-гало, связанного с микроквазарами, такие объекты начинают находить все чаще в разных уголках нашей Галактики. Особенность данного случая в том, что астрономы могут одновременно наблюдать и сам ускоритель, и гигантское облако частиц, которое он создал за долгое время. Пока что существующие телескопы не позволяют четко разделить сигнал от микроквазара и вклад близлежащего звездного скопления, поскольку они проецируются на один и тот же участок неба.

Однако авторы работы уверены, что следующие поколения инструментов, включая Cherenkov Telescope Array, системы ASTRI и перспективный Large Array of Cherenkov Telescopes, смогут дать гораздо более детальные изображения и окончательно ответить на вопрос, действительно ли Лебедь X-3 является истинным источником Пузыря Лебедя.

В результате моделирования команда Чжаодуна Ши показала, что микроквазар Лебедь X-3 может объяснить и форму, и яркость загадочного гамма-пузыря, используя для этого всего несколько процентов своей энергии. Это открытие смещает фокус с массивных звездных скоплений на двойные системы с черными дырами как на потенциальных главных производителей самых мощных космических лучей в Млечном Пути. Окончательный вердикт вынесут будущие обсерватории, но уже сейчас ясно, что Пузырь Лебедя это уникальная лаборатория, где ускоритель и его долгоживущее свечение видны почти одновременно.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях