Ключевые результаты, представленные обсерваторией LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) 16 ноября, наконец пролили свет на десятилетиями неразрешимую загадку в астрофизике. Речь идет о необычном снижении количества регистрируемых космических лучей с энергией выше 3 ПэВ, которое ученые называют «коленом» в их энергетическом спектре.
Причина этого резкого спада оставалась тайной с момента его обнаружения почти 70 лет назад. Долгое время исследователи предполагали, что эта особенность отражает максимальные энергии, достижимые источниками космических лучей, знаменуя переход спектра от одного степенного закона к другому.
Похоже, что микроквазары являются вероятным источником образования «колена». Две новые научные работы, опубликованные в журналах National Science Review и Science Bulletin, указывают на микроквазары, питаемые аккрецией черных дыр, как на основное объяснение. Эти исследования демонстрируют, что компактные системы черных дыр выступают как чрезвычайно мощные ускорители частиц в пределах Млечного Пути, способные генерировать энергии, связанные с «коленом». Эти открытия также углубляют понимание того, как системы с черными дырами запускают экстремальные физические процессы.
В состав исследовательской группы вошли ученые из Института физики высоких энергий Китайской академии наук (CAS), Нанкинского университета, Университета науки и технологий Китая (также входящего в CAS), Римского университета Ла Сапиенца и ряда других учреждений.
Черные дыры в двойных системах притягивают материю от звезд-компаньонов, создавая релятивистские струи, которые превращают эти системы в микроквазары. Обсерватория LHAASO зафиксировала гамма–излучение сверхвысоких энергий от пяти таких объектов: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 и Cygnus X–1. Это первая систематическая регистрация таких источников на столь высоких энергиях.
Один из самых впечатляющих результатов получен от SS 433, где зарегистрированные гамма–лучи совпадают с массивным атомным облаком. Это убедительно свидетельствует о том, что черная дыра ускоряет высокоэнергетические протоны, которые затем сталкиваются с окружающим веществом. Энергии протонов в SS 433 превысили 1 ПэВ, а общая мощность достигала примерно 10^32 джоулей в секунду – уровень, сравнимый с энергией, высвобождаемой каждую секунду четырьмя триллионами мощнейших водородных бомб. Другой микроквазар, V4641 Sgr, произвел гамма–лучи с энергией до 0,8 ПэВ, что определило его как еще один «супер–адронный ускоритель ПэВ–частиц». Частицы, порождающие эти гамма–лучи, несли энергии свыше 10 ПэВ.
Эти наблюдения подтверждают, что микроквазары способны ускорять частицы до ПэВ–уровней по всему Млечному Пути. Это разрешает давнее противоречие в исследованиях космических лучей: хотя остатки сверхновых, как известно, производят космические лучи, как данные, так и теория предполагали, что они не могут объяснить энергии, наблюдаемые на уровне «колена» и выше.
Полное понимание картины требует точных измерений энергетических спектров различных видов космических лучей и их индивидуальных «колен». Измерение спектра протонов – самых легких ядер – является первым и наиболее важным шагом. Однако протоны в диапазоне энергий «колена» встречаются крайне редко, а спутниковые детекторы имеют ограниченное покрытие, что делает такие наблюдения чрезвычайно трудными. Наземные методы привносят атмосферные помехи, что исторически делало почти невозможным отличение протонов от более тяжелых ядер.
Используя свои передовые средства обнаружения космических лучей, LHAASO разработала многопараметрические методы анализа, которые позволили исследователям выделить статистически значимую и высокочистую выборку протонов. Это дало возможность провести точное измерение их энергетического спектра, сопоставимое по точности с показаниями спутниковых приборов. Результаты выявили неожиданную структуру: вместо плавного перехода между степенными законами протонный спектр содержит отчетливый новый «высокоэнергетический компонент».
В сочетании с данными о протонах со спутника AMS–02 для более низких энергий и измерениями со спутника DArk Matter Particle Explorer (DAMPE) для промежуточных энергий, результаты показывают, что Млечный Путь является домом для нескольких типов ускорителей. Каждый из них имеет свой характерный энергетический предел. «Колено» отмечает максимальную энергию, достигаемую источниками, которые производят недавно идентифицированный высокоэнергетический компонент.
Сложная структура протонного спектра предполагает, что ПэВ–космические лучи в значительной степени производятся «новыми источниками», такими как микроквазары, которые способны ускорять частицы до значительно более высоких энергий, чем остатки сверхновых. Эта способность позволяет им генерировать частицы, ответственные за «колено», и те, что выходят за его пределы.
В совокупности эти открытия образуют непротиворечивое объяснение. Они разрешают давно обсуждаемый вопрос о происхождении «колена» и предоставляют убедительные наблюдательные доказательства роли систем черных дыр в производстве космических лучей.
Гибридный массив детекторов LHAASO позволяет как обнаруживать высокоэнергетические гамма–лучи от космических ускорителей, так и проводить точные измерения космических лучей, достигающих околоземного пространства. Эта двойная возможность предоставляет новые данные о пределах ускорения астрофизических источников и их спектральных характеристиках. Впервые ученые смогли напрямую связать «колено» с определенным классом объектов – системами из черных дыд с джетами.
Обсерватория LHAASO, спроектированная, построенная и управляемая китайскими учеными, стала мировым лидером в исследованиях космических лучей высоких энергий благодаря своей исключительной чувствительности в гамма–астрономии и точности измерений космических лучей. Ее достижения продолжают расширять понимание самых экстремальных процессов во Вселенной.
