На китайской обсерватории LHAASO зарегистрировали 530 фотонов с энергией между 0,1 и 1,4 петаэлектронвольта от 12 источников в пределах Млечного пути. Одним из них оказалась Крабовидная туманность, точное местоположение и природу остальных 11 источников определить не удалось. Такие наблюдения подтверждают существование галактических певатронов — космических ускорителей в нашей Галактике, которые разгоняют частицы до энергий порядка петаэлектронвольта. Их изучение позволит понять, что из себя представляют такие объекты и какие физические процессы лежат в их основе. Статья опубликована в журнале Nature.
Физики уже больше ста лет знают о существовании космических лучей — частиц высоких энергий, источниками которых являются внеземные объекты. Энергия таких частиц достигает огромных значений (вплоть до 1021 электронвольт — в сто миллионов раз больше, чем энергия частиц в кольце Большого адронного коллайдера), но ученые все еще не могут с уверенностью сказать, какие именно космические объекты могут приводить к такому ускорению. Кандидатами на такие ускорители являются области рождения звезд, пульсары, остатки сверхновых и массивные черные дыры, но однозначно связать конкретные космические объекты и космические лучи сверхвысоких энергий пока что не получается.
Особый интерес представляют космические лучи с энергией порядка петаэлектронвольта: в этой точке энергетического спектра космических лучей находится так называемое «колено» — излом кривой этого спектра. Такой излом ученые связывают с различной природой космических лучей с меньшими и большими значениями энергии. Частицы с энергией порядка петаэлектронвольта прилетают на Землю от космических ускорителей в пределах Млечного пути. Как раз гипотетические источники таких частиц и называют певатронами. Космические лучи с много большими энергиями, в свою очередь, могут долетать до нас и из других галактик, из-за чего падает и их поток.
Тем не менее, обнаружить певатроны в пределах нашей Галактики до недавнего времени не удавалось. Источником космических протонов с энергией вплоть до 0,04 петаэлектронвольта называли галактический центр, в частности, сверхмассивную черную дыру в центре Млечного пути. Но определение источников заряженных частиц усложнено тем, что последние в ходе своего движения успевают отклониться от начальной траектории из-за сильных магнитных полей в космическом пространстве и вокруг их источников. В этом случае физикам помогают высокоэнергетические фотоны, которые должны рождаться при взаимодействии ускоренных протонов и других заряженных частиц с космической средой. Такие гамма-кванты, в отличие от заряженных частиц, не отклоняются магнитным полем, а значит по их направлению движения можно определить положение их источника. Физики уже регистрировали такое гамма-излучение с энергией чуть выше 0,1 петаэлектронвольта, но для изучения певатронов необходима стабильная регистрация фотонов с существенно большими энергиями.
Теперь же Чжэнь Цао (Zhen Cao) вместе с коллегами представил результаты измерения обсерватории LHAASO: ученым удалось зарегистрировать 530 фотонов с энергией от 0,1 до 1,4 петаэлектронвольта от 12 источников в пределах Млечного пути. Сама обсерватория была запущена в апреле 2019 и предназначена для сверхчувствительной регистрации космических лучей и гамма-излучения высоких энергий. Она расположена на высоте 4410 метров в китайской провинции Сычуань и включает в себя целый комплекс различных детекторов, созданных для регистрации продуктов взаимодействия космических частиц и земной атмосферы — атмосферных ливней. Площадь установки достигает 1 квадратного километра, на котором равномерно расположены 5195 сцинтилляционных счетчиков и 1188 мюонных детекторов, а в центре которого расположены 3 водных черенковских детектора c общей площадью в 78 000 квадратных метров и 18 черенковских детекторов с широким полем зрения. Такая система детекторов позволяет добиться хорошего углового разрешения в одну треть угла и энергетического разрешения в 20 процентов при энергии регистрируемых частиц в 0,1 петаэлектронвольта.
Статистическая точность того, что каждый из 12 обнаруженных объектов является источником гамма-квантов с энергией больше 0.1 петаэлектронвольт, оказалась больше 7σ. Максимальная энергия гамма-квантов в 1,42 ± 0,13 петаэлектровольта была зарегистрирована лишь для одного из источников, для остальных объектов это значение колеблется между 0.2 и 0.9 петаэлектронвольт. Одним из источников оказалась Крабовидная туманность — остаток взрыва сверхновой тысячелетней давности. Для обсерватории LHAASO эта туманность видима как точка на звездном небе, которая не перекрывается со схожими космическими объектами. Благодаря этому ученые смогли с уверенностью назвать ее источником зарегистрированных гамма-квантов сверхвысоких энергий, то есть, фактически, признать певатроном.
Для оставшихся 11 объектов авторы работы не ставили себе задачу по определению их природы. Тем не менее, расположение обнаруженных источников говорит о том, что ими могут являться уже знакомые физикам ускорители протонов и электронов высоких энергий: пульсары, плерионы, остатки сверхновых и скопления молодых массивных звезд. В частности, один из таких источников может находиться в области звездообразования «Кокон Лебедя», из которого на Землю уже прилетали гамма-кванты сверхвысоких энергий. Кроме того, ученые измерили энергетические спектры обнаруженных источников, которые также помогут в изучении механизмов работы певатронов. Полученные результаты уже сейчас говорят об обилии певатронов в пределах Млечного пути вне зависимости от их природы. В дальнейшем пороговый поток излучения, необходимый обсерватории LHAASO для регистрации источника гамма-квантов сверхвысоких энергий, будет уменьшен как минимум на порядок. Это значит, что число обнаруженных певатронов будет быстро расти, а наблюдения за ними позволят физикам понять природу таких ускорителей космических лучей.
Искать певатроны можно не только с помощью регистрации гамма-квантов сверхвысоких энергий: в этой задаче физикам могут помочь и астрофизические нейтрино. О том, как и зачем эти легчайшие частицы регистрируют с помощью нейтринных телескопов можно почитать в нашем материале «Кто стрелял».
Никита Козырев