Астрономы отыскали самый мощный в Млечном Пути природный ускоритель космических лучей
Наземный черенковский телескоп HAWC обнаружил самый мощный в Млечном Пути природный ускоритель космических лучей — им оказалось молодое звездное скопление внутри сверхпузыря «Кокон Лебедя». Предполагается, что за ускорение протонов до энергий 10–1000 тераэлектронвольт могут отвечать столкновения мощных звездных ветров. Статья опубликована в журнале Nature.
Если построить энергетический спектр всех компонентов космических лучей, то можно заметить несколько изломов, один из которых (названный физиками «коленом») находится в районе нескольких петаэлектронвольт. Астрофизиков уже давно интересует природа «колена», которое близко к предельным возможностям земных ускорителей частиц. Считается, что источники подобных частиц (певатроны) должны находится в пределах Млечного Пути и могут быть остатками сверхновых, пульсарами, скоплениями молодых звезд или областью вблизи центра Млечного Пути, где находится сверхмассивная черная дыра. Однако процесс поиска конкретных источников высокоэнергетических частиц космических лучей достаточно трудоемок и на сегодняшний день данных наблюдений крайне мало.
Группа астрономов во главе с Петрой Хуэнтемейер (Petra Huentemeyer) из Мичиганского технологического университета сообщила о регистрации гамма-квантов с энергиями 1–100 тераэлектронвольт от области звездообразования в Млечном Пути, известной как «Кокон Лебедя» (Cygnus Cocoon), при помощи телескопа HAWC (High-Altitude Water Cherenkov), которая фиксирует черенковское излучение от вторичных частиц, возникающих при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли.
«Кокон Лебедя» представляет собой сверхпузырь вокруг региона активного формирования массивных звезд, диаметром около 180 световых лет, которая находится на расстоянии 4,6 тысяч световых лет от Солнца в созвездии Лебедя. Она содержит два молодых звездных скопления Cygnus OB2 и NGC 6910.
Ученые пришли к выводу, что регистрируемые гамма-кванты порождаются протонами космических лучей с энергиями 10–1000 тераэлектронвольт, которые исходят от скопления Cygnus OB2. Предполагается, что ускорение частиц идет внутри сверхпузыря и может быть связано со столкновениями мощных звездных ветров, кроме того, «Кокон Лебедя» может также испускать высокоэнергетические нейтрино в ходе бета-распада ионов, образованных в результате взаимодействия протонов космических лучей с межзвездным газом.
Таким образом, данная область может считаться самым мощным из известных природных ускорителей частиц в нашей галактике. Ожидается, что будущие наблюдения за гамма-квантами высоких энергий при помощи обсерваторий SWGO (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory) и LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) дадут больше данных наблюдений, которые можно будет использовать для определения вклада других звездных скоплений в галактические космические лучи.
Ранее мы рассказывали о том, как астрофизики нашли неоднородность в направлении прилета высокоэнергетических космических лучей, измерили соотношение изотопов гелия в них и как космические лучи заставили Луну ярко сиять в гамма-диапазоне.
Александр Войтюк
Они находятся в маломассивных рентгеновских двойных системах
Астрономы на основе наблюдений за пульсаром PSR J1023+0038 определили механизм переключения переходных миллисекундных пульсаров между режимами активности. Предполагается, что он связан с взаимодействием между пульсарным ветром и внутренней частью аккреционного диска, а также с выбросами вещества. Статья опубликована в журнале Astronomy&Astrophysics. После рождения нейтронные звезды обладают очень высокой скоростью вращения, которая постепенно уменьшается со временем. Однако астрономам известны миллисекундные пульсары, представляющие собой быстровращающиеся нейтронные звезды, которые находятся в маломассивных рентгеновских двойных системах и раскручиваются до миллисекундных периодов вращения за счет аккреции вещества звезды-компаньона. Этот эволюционный путь состоит из нескольких стадий, одна из которых представлена переходными миллисекундными пульсарами — очень редкими и плохо изученными объектами. Они могут находиться в двух состояниях: радиопульсар (объект порождает импульсы радиоволн) и активный режим (нейтронная звезда ярко излучает в рентгеновском диапазоне, аккрецируя вещество из диска вокруг нее). В активном режиме ученые выделяют два состояния — высокий уровень активности, который возникает чаще всего и характеризуется пульсациями рентгеновского, ультрафиолетового и оптического излучения от пульсара, и низкий уровень активности, когда пульсаций нет. Астрофизиков очень интересует, каким образом эти режимы возникают и почему непредсказуемо меняются. Группа астрономов во главе с Марией Кристиной Бальо (Maria Cristina Baglio) из Нью-Йоркского университета в Абу-Даби опубликовала результаты мультиволновых наблюдений за переходным миллисекундным пульсаром PSR J1023+0038, проведенных в июне 2021 года при помощи наземных и космических телескопов, таких как NuSTAR, XMM-Newton, «Хаббл», VLT, ALMA, VLA, NTT и FAST. PSR J1023+0038 был обнаружен в 2007 году как пульсар с периодом вращения 1,69 миллисекунды, обращающийся вокруг маломассивной звезды-компаньона (около 0,2 массы Солнца) за 4,75 часа. В 2013 году он перешел в режим высокого уровня активности, демонстрируя признаки формирования аккреционного диска. Данные наблюдений позволили астрономам построить физическую модель переключения миллисекундного пульсара между режимами активности. Во время высокого уровня активности существует ударная волна между ветром от пульсара и внутренним аккреционным потоком, где возникает большая часть рентгеновского излучения, а также рентгеновские, ультрафиолетовые и оптические пульсации. При этом самая внутренняя область усеченного, геометрически тонкого аккреционного диска, заменяется радиационно неэффективным, геометрически толстым потоком, а падающее на пульсар вещество втягивается в магнитное поле и ускоряется, образуя компактный джет из плазмы, которая выбрасывается наружу. Переход в режим низкого уровня активности инициируется дискретными выбросами вещества поверх джета вдоль оси вращения пульсара, что приводит к угасанию пульсаций. В таком состоянии пульсарный ветер все еще способен проникнуть в аккреционный диск и инициировать возникновение джета. Затем поток вещества из аккреционного диска может вновь заполнить область вблизи пульсара и он перейдет высокий режим активности. Ранее мы рассказывали о том, как ученые впервые увидели гамма-затмения пульсаров-«черных вдов» и напрямую измерили скорость собственного движения пульсара.