Китайські дослідники визначили чорні діри як ймовірне джерело високоенергетичного компонента «коліна» в космічних променях
Знакові результати, опубліковані 16 листопада командою обсерваторії LHAASO (Високогірної обсерваторії повітряних злив), стали великим проривом у поясненні давньої загадки дослідження космічних променів. Протягом десятиліть учені намагаються зрозуміти, чому енергетичний спектр космічних променів різко втрачає кількість частинок вище 3 ПеВ — явище, яке отримало назву «коліно».
Причина цього «коліна» залишалася невизначеною від моменту його відкриття майже 70 років тому. Довгий час дослідники припускали, що це може бути пов’язано з максимальними енергіями, яких здатні досягати астрофізичні джерела космічних променів, й позначати перехід від одного степеневого закону в спектрі до іншого.
Сьогодні з’явилися нові докази, що дають яснішу відповідь. Два дослідження, опубліковані у National Science Review та Science Bulletin, показали, що мікроквазари, які живляться акрецією у системах з чорними дірами, виступають ефективними прискорювачами частинок у Чумацькому Шляху. Такі системи наразі вважають найімовірнішими «винуватцями» появи коліна, а також вони проливають світло на екстремальні фізичні процеси, пов’язані з чорними дірами.
У дослідженнях брали участь науковці з Інституту фізики високих енергій Академії наук Китаю (CAS), Нанкінського університету, Університету науки й технологій Китаю CAS, університету Ла Сапієнца в Римі та кількох партнерських інституцій.
Перше систематичне виявлення ультра-високоенергетичного гамма-випромінювання
Чорні діри — одні з найбільш загадкових об’єктів у Всесвіті. Коли вони поглинають матеріал із зорі-компаньйона у подвійних системах, виникають швидкі струмені речовини, утворюючи так звані мікроквазари. У новому дослідженні LHAASO повідомила про перше систематичне виявлення ультра-високоенергетичного гамма-випромінювання від п’яти таких мікроквазарів: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 та Cygnus X-1.
Особливо важливо, що випромінювання від SS 433 перекривалося з величезною атомною хмарою, що вказує: високоенергетичні протони прискорюються чорною дірою й стикаються з навколишньою речовиною. Енергія протонів у цій системі перевищила 1 ПеВ, а загальна потужність — близько 10³² джоулів за секунду, що еквівалентно енергії, яку за секунду виділили б чотири трильйони найпотужніших водневих бомб.
Енергія гамма-променів від V4641 Sgr досягла 0,8 ПеВ, що робить цю систему ще одним «супер-ПеВ прискорювачем», тоді як частинки-попередники мали енергії понад 10 ПеВ.
Ці результати доводять, що мікроквазари є значущими прискорювачами частинок до ПеВ-енергій у Чумацькому Шляху. Вони вирішують давню проблему: хоча залишки наднових тривалий час вважалися джерелами космічних променів, теоретичні та експериментальні дані свідчать, що вони не здатні розігнати частинки до рівня «коліна» та вище.
Прорив у вимірюванні спектра протонів
Для пояснення явища важливо точно виміряти енергетичні спектри різних типів ядер космічних променів і визначити їхні «коліна». Першим кроком є вимір спектра найпростіших ядер — протонів.
Однак у діапазоні коліна космічні промені дуже рідкісні, а приймальна здатність супутникових детекторів обмежена, тому знайти такі частинки — завдання на кшталт пошуку голки в копиці сіна. У наземних експериментах атмосферні ефекти роблять неможливим повне розділення протонів і важчих ядер. Довгий час це вважалося нерозв’язною задачею.
Проте LHAASO, завдяки передовій системі наземних детекторів, розробила багатопараметрові методи і відібрала велику вибірку протонів високої чистоти. Це дозволило з високою точністю — на рівні супутникових експериментів — виміряти їхній спектр. Він виявив несподівану структуру: замість простого переходу між степеневими законами спектр чітко показав новий високоенергетичний компонент.
У поєднанні з низькоенергетичними даними експерименту AMS-02 та середньоенергетичними даними DAMPE стало ясно, що в Чумацькому Шляху існує кілька різних прискорювачів, кожен із власним діапазоном енергій. «Коліно» позначає межу прискорення для джерел високоенергетичної компоненти.
Єдина наукова картина
Складна структура протонного спектра свідчить, що протони в діапазоні ПеВ здебільшого походять від «нових джерел» — таких як мікроквазари — які мають значно вищу межу прискорення, ніж залишки наднових, і здатні створювати космічні промені, що перевищують «коліно».
Обидва відкриття взаємодоповнюють одне одного й формують цілісну наукову картину. Це не лише великий крок до розв’язання загадки походження коліна, але й важливий доказ ролі чорних дір у формуванні космічних променів.
Гібридний дизайн LHAASO дозволяє одночасно спостерігати за джерелами космічних променів через ультра-високоенергетичне гамма-випромінювання та робити точні вимірювання частинок поблизу Сонячної системи. Вперше структуру коліна вдалося пов’язати з конкретним астрофізичним джерелом — системою з чорнодірковим джетом.
LHAASO, створена та керована китайськими науковцями, нині очолює світові дослідження високоенергетичних космічних променів. Вона здійснила серію відкриттів глобального значення, розширюючи наше розуміння екстремальних процесів у Всесвіті.