Вчені зафіксували 12 кандидатів у найбільші астрофізичні прискорювачі часточок у нашій галактиці. Це дослідження може допомогти зрозуміти природу цих чудернацьких об’єктів.

Що в нашій галактиці може прискорювати частинки? Чи знаходили вчені щось подібне раніше? Беручи до уваги все, що ми знаємо про Чумацький Шлях, вчені досі не можуть впевнено відповісти на ці питання. В друкованому номері журналу Nature, Об’єднання Великої високогірної водної обсерваторії, LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory Collaboration), повідомило про виявлення величезної кількості кандидатів в прискорювачі. На їх думку, це – сигнал настання нової ери в астрофізиці високих енергій.

Міжзоряний простір наповнений протонами та іншими атомними ядрами, що рухаються майже зі швидкістю світла. Ці часточки називають – космічними випроміненням. Вперше воно було зафіксовано більше століття тому, австральйсько-амереканським фізиком, Віктором Гессом. Він запускав прилади на борту аеростату, що вимірювали рівень іонізації атмосфери. Вчений встановив, що іонізація збільшується з висотою та зробив наступний висновок: «в нашу атмосферу надходить дуже сильне проникливе випромінення». Пізніше вчені довели, що космічне випромінення складається з заряджених часточок.

Сучасні наземні обсерваторії виявили, що космічне випромінення може нести в собі заряду більше 1 петаелектронвольт (1 ПеВ = 10¹⁵ еВ). Цей заряд у 100 разів більше ніж отриманий під час роботи Великого адронного колайдера, CERN (європейська організація з ядерних досліджень), що знаходиться неподалік Женеви, Швейцарія. Астрофізичні прискорювачі, які розганяють частинки до таких величезних енергій називають Певтронами, по аналогії з Теватроном, прискорювачем, який працював до 2011 на території Лабораторії Фермі біля Чикаго, Іллінойс.

Досі чітко не доведено існування Певатронів та їх кількість у нашій галактиці. Головна проблема – зміна траєкторій руху часточок. Ці об’єкти мають заряд, тому на них впливають міжзоряні магнітні поля. Саме тому не можливо визначити звідки вони походять. Однак цю проблему можна вирішити відстежуючи γ– випромінення.

Ми можемо спостерігати γ–хвилі, коли космічне випромінення стикається з міжзоряною речовиною, такою як: газові хмари та міжзоряні електромагнітні поля, що знаходяться біля об’єктів-прискорювачів. Ці γ–хвилі несуть одну десяту енергії з потоку від яких вони «відкололись». На них не впливають магнітні поля і тому, вони рухаються прямо відносно спостерігача. Одеже, коли ми виявляємо область в якій наявне γ– випромінення більше 0,1 ПеВ, це – переконливий доказ існування Певатрона в цьому регіоні. Автори представленого дослідження використали обсерваторію LHAASO в провінції Сичуань, Китай (зображення 1), щоб визначити розташування 12 Певатронів. Це значення в два рази більше ніж в усіх дослідженнях до цього.

За стандартною моделлю прискорення космічних часточок, вони, разом з залишками наднової, викидаються першим потужним вибухом. Негомогенність магнітних полів та суперхвиля вибуху взаємодіючи призводять до того, що часточки швидко переміщуються вперед та назад у площині вибуховій хвилі. Цей процес називають: дифузним вибуховим прискоренням, саме він прискорює часточки. Досі достеменно невідомо чи можуть часточки набрати достатнє значення ПеВ за такого процесу. Більш того, тільки один з представлених вченими об’єктів пов’язаний з надновою.

Проте існують інші астрофізичні об’єкти, які прискорюють космічне випромінення до ПеВ енергій. В 2016 році Об’єднання Стереоскопічних систем високих енергій, HESS, (High Energy Stereoscopic System), яке використовує телескопи у Намібії, отримали γ– випромінення з центру галактики. Це випромінення вважають слідами минулої активності надмасивної чорної діри в центрі Чумацького Шляху. Більш того, з 2019 року декілька інших телескопів по всій планеті зафіксували γ– випромінення, що наближалось до 0,1 ПеВ. Їх знайшли в регіонах зореутворення та біля пульсарів, нейтронних зірок, що швидко обертаються та мають потужне магнітне поле.

Всі попередні об’єкти не досягають високих енергій отриманих LHAASO. В свої фінальній конфігурації, ця обсерваторія використовує 3 субсистеми, серед них: Комплект водних детекторів Черенкова, Телескоп широкого огляду з детекторами Черенкова та Радіоантена квадратний кілометр (прим. перекладача: масив антен, який займає площу в 1 квадратний кілометр). Завершення будівництва LHAASO та отримання більшої кількості даних підвищить чутливість обсерваторії. Це в свою чергу надасть ще більше переконливих доказів наявності γ – випромінення від ПеВ об’єктів.

У одного з кандидатів автори дослідження зафіксували γ – випромінення у 1,4 ПеВ. Цей об’єкт знаходиться у сузір’ї Лебідь (Cygnus). Це відкриття привернуло увагу багатьох дослідників і зараз, очевидно, надані данні будуть ретельно перевірені працівниками LHAASO та вченими з усіх куточків планети. Цікаво, що обидві обсерваторії – Тибетське об’єднання ASγ та Об’єднання черенковської високогірної водної обсерваторії (HAWC)повідомляли про віпромінення лише у 0,1 ПеВ з цієї області неба. Команда HAWC вивчила світимість цього регіону та пов’язала це явище з зоряним кластером Лебідь OB2. Тут була зафіксована потужна вибухова хвиля, утворена потужними сонячними вітрами, що розганяли часточки до ПеВ енергій. Цілком можливо, що LHAASO пізніше представить схожі дослідження, що проллє світло на максимальне прискорення космічного випромінення в зоряних кластерах.

Нові телескопи подібного типу почнуть працювати вже в найближчі роки. Один з найбільших проектів такого типу – Масив черенковських телескопів (Cherenkov Telescope Array) – наземна обсерваторія, яка керується багатонаціональним консорціумом та знаходиться в Чилі і на Канарських островах, Іспанія. Інша група астрофізиків планує побудувати Південну гамма обсерваторію широкого огляду в Південній Америці (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory). Маючи величезне поле огляду ця система буде чудово пристосована для огляду цілих секторів неба Південної півкулі, де знаходиться центр нашої галактики. Ці інструменти наступного покоління шукатимуть Певатрони та інші могутні та надзвичайні структури, щоб дізнатися більше про природу та переміщення матерії і енергії в нашій галактиці.

Nature (02 червня, 2021)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-01377-1

Посилання на оригінал