Астрономи виявили найпотужніше джерело космічних променів Чумацького Шляху

З часів відкриття високоенергетичних космічних променів астрономи шукали джерело таких променів у нашій галактиці. І пошуки увінчалися успіхом: на Великій висотній обсерваторії повітряних злив у Китаї виявили гігантську бульбашкову структуру випромінювання надвисоких енергій у галузі зіркоутворення Лебедя.

Космічними променями називають заряджені субатомні частинки, такі як протони або атомні ядра, які проносяться у просторі зі швидкістю близькою до швидкості світла. Промені, що проходять через нашу галактику, досягають енергій щонайменше в кілька петаелектронвольт (10 в 15 ступеня електронвольт), але визначити місцезнаходження їх джерел свідомо важке завдання.

Складність у тому, що космічні промені відбиваються від магнітних полів, коли проносяться у космосі, отже, траєкторії їхнього польоту звивисті. Це і заважає визначити місце їхнього походження. Щоб уникнути проблеми, дослідники вимірюють фотони гамма-випромінювання, що утворюються при взаємодії космічних променів з міжзоряним газом. Гамма-промені несуть 10 відсотків енергії космічних променів і поширюються майже прямим лініям, полегшуючи визначення потенційних джерел космічних променів.

Вимірювання космічних променів за останні десятиліття виявили розрив в енергетичному спектрі близько одного петаелектронвольта, який був названий «коліном» енергетичного спектра космічних променів через його форму, що нагадує колінний суглоб. Вчені вважали, що космічні промені з енергією нижче «коліни» походять від астрофізичних об’єктів у межах Чумацького Шляху. А енергетична межа для прискорення протонів від більшості джерел космічних променів у Чумацькому Шляху, згідно з розрахунками, складала близько кількох петаелектронвольт.

У новому дослідженні, опублікованому в журналі Science Bulletin, вчені оголосили про виявлення величезної гамма-бульбашки, який став джерелом найпотужніших космічних променів Чумацького Шляху. Галактичний прискорювач, що отримав назву «супер ПеВатрон» (super PeVatron), випускав космічні промені з енергією не менше 10 петаелектронвольт, розсуваючи верхні межі енергій, яких досягають такі частки в нашій галактиці.

Астрономи використовували Велику висотну обсерваторію повітряних злив LHAASO в Китаї для виявлення та вимірювання гамма-променів, що походять від Лебедя OB2, масивної області зіркоутворення в сузір’ї Лебедя. 

LHAASO – це ціла науково-технологічна інфраструктура для дослідження космічних променів, розташована на висоті 4410 метрів на горі Хайцзи у провінції Сичуань. Система складається з наземної частини площею квадратний кілометр з 5216 детекторів електромагнітних частинок і 1188 мюонних детекторів, водяних черенківських детекторів площею 78 000 квадратних метрів і 18 ширококутних черенківських телескопів. 

Команда LHAASO виявила величезну структуру, що випромінює гамма-промені, названу міхуром. Область випускала фотони з енергією вище одного петаелектронвольта, при цьому найпотужніший із зареєстрованих променів мав енергію 2,5 петаелектронвольт. За словами авторів, це говорить про те, що «супер ПеВатрон» може генерувати космічні промені, що досягають енергії між 10 і 25 петаелектронвольт.

Лебідь OB2 складається з безлічі молодих, гарячих, масивних зірок із температурою поверхні, що перевищує приблизно 35 000 °C (зірки O-типу) та 15 000°C (зірки B-типу). Радіаційна температура цих зірок у сотні – мільйони разів перевищує сонячну. Величезний радіаційний тиск здуває поверхневий матеріал зірок, утворюючи динамічні зіркові вітри зі швидкістю до тисяч кілометрів на секунду. Коли ця матерія стикається з газом і речовиною між зірками, вони створюють ідеальні умови для прискорення космічних променів до високих енергетичних рівнів.

У результаті отримані спостереження показали, що космічні промені, що виходять з Чумацького Шляху, досягають набагато більших енергій, ніж вважалося раніше. Вчені планують досліджувати Лебедя OB2 більш детально, щоб визначити точне джерело космічних променів високої енергії у зоряному скупченні.

Результати впливають не тільки на наше розуміння дифузного випромінювання, але й мають важливі наслідки для опису перенесення космічних променів у галактиці. Очікується, що зі збільшенням часу спостережень LHAASO виявить більше прискорювачів космічних променів і розгадає таємницю їх походження в Чумацькому Шляху.