LHAASO раскрывает тайну образования «колена» космических лучей
Коллаборация Большой обсерватории высотных атмосферных ливней (LHAASO) 16 ноября опубликовала важные результаты, разрешающие загадку энергетического спектра космических лучей, которая оставалась нерешенной на протяжении почти семидесяти лет. Энергетический спектр демонстрирует резкое уменьшение количества космических лучей с энергией свыше 3 петаэлектронвольт (ПэВ), что придает ему характерную коленообразную форму. Причина этого явления долгое время оставалась предметом научных дискуссий.
Согласно общепринятой гипотезе, «колено» связано с пределом ускорения астрофизических источников космических лучей и отражает переход от одного степенного распределения энергетического спектра к другому. Однако два новых исследования, опубликованные в журналах National Science Review и Science Bulletin, предлагают принципиально новое объяснение. Ученые из Института физики высоких энергий Китайской академии наук, Нанкинского университета, Китайского университета науки и технологий, Римского университета Ла Сапиенца и других учреждений представили убедительные доказательства того, что микроквазары — двойные системы, в которых черная дыра аккрецирует вещество звезды-компаньона и генерирует релятивистские джеты, — являются мощными ускорителями частиц в Млечном Пути и, вероятно, служат источником высокоэнергетической компоненты «колена».
Ключевым достижением LHAASO стало первое систематическое обнаружение сверхвысокоэнергетического гамма-излучения от пяти микроквазаров: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 и Лебедь X-1. Особое значение имели наблюдения за системой SS 433, где сверхвысокоэнергетическое излучение перекрывается с гигантским атомным облаком. Это прямо указывает на то, что высокоэнергетические протоны ускоряются черной дырой и сталкиваются с окружающим веществом.
Энергия протонов в этой системе превышала 1 ПэВ, а общая выходная мощность достигала примерно 1032 джоулей в секунду, что эквивалентно энергии, выделяемой каждую секунду четырьмя триллионами самых мощных водородных бомб. Другой микроквазар, V4641 Sgr, продемонстрировал гамма-излучение с энергией до 0,8 ПэВ, что позволяет классифицировать его как еще один «суперпэВ-ный ускоритель частиц». При этом исходные частицы, породившие эти гамма-лучи, имели энергию свыше 10 ПэВ.
Эти наблюдения доказывают, что микроквазары являются значительными ускорителями частиц на уровне ПэВ в нашей Галактике. Это разрешает давнюю проблему астрофизики: хотя остатки сверхновых исторически считались основными источниками космических лучей, как наблюдательные, так и теоретические исследования показывали, что они не способны ускорять частицы до энергий «колена» и выше. Таким образом, микроквазары, питаемые черными дырами, заполняют этот энергетический пробел.
Отдельным научным прорывом стало точное измерение энергетического спектра протонов — самых легких ядер космических лучей. До настоящего времени эта задача считалась крайне сложной из-за рассеяния космических лучей в области «колена», ограниченного диапазона обнаружения спутниковых детекторов и неизбежных атмосферных помех при наземных измерениях. Используя передовое оборудование и разработав многопараметрические методы измерений, LHAASO смогла отобрать большую статистическую выборку высокочистых протонов и провести точные измерения их энергетического спектра с точностью, сопоставимой с космическими экспериментами. Результат оказался неожиданным: вместо простого перехода между степенными спектрами была обнаружена новая высокоэнергетическая компонента.
Совместный анализ новых данных LHAASO, низкоэнергетической компоненты, измеренной космическим экспериментом AMS-02, и промежуточной компоненты, зарегистрированной детектором DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), выявил существование в Млечном Пути множества ускорителей частиц. Каждый из этих источников обладает уникальной способностью к ускорению и своим диапазоном энергий.
«Колено» в этом контексте представляет собой предел ускорения тех источников, которые ответственны за генерацию высокоэнергетической компоненты. Сложная структура энергетического спектра протонов указывает на то, что космические лучи в диапазоне ПэВ в основном происходят из «новых источников», таких как микроквазары, чей предел ускорения значительно превышает таковой у остатков сверхновых. Это позволяет им генерировать частицы с энергиями, превышающими «колено».
Оба открытия — обнаружение пэВных ускорителей среди микроквазаров и выявление новой компоненты в спектре протонов — взаимодополняющие и формируют целостную научную картину. Они не только знаменуют значительный прогресс в разрешении загадки происхождения «колена», но и предоставляют важные наблюдательные данные для понимания фундаментальной роли черных дыр в происхождении космических лучей.
Уникальная гибридная конструкция детекторной решетки LHAASO, спроектированной, построенной и эксплуатируемой китайскими учеными, позволила одновременно обнаруживать источники космических лучей через сверхвысокоэнергетическое гамма-излучение и проводить прецизионные измерения частиц вблизи Солнечной системы. Впервые в истории структура «колена» была напрямую связана с конкретным типом астрофизического объекта — системой струйных выбросов черных дыр. Благодаря своей чувствительности LHAASO утвердился в качестве мирового лидера в области исследований высокоэнергетических космических лучей и гамма-астрономии, внося существенный вклад в понимание экстремальных физических процессов во Вселенной.