Микроквазар Лебедь X-3 оказался суперпеватроном

Галактическая массивная рентгеновская двойная система Лебедь Х-3 оказалась суперпеватроном — эффективным космическим ускорителем частиц до энергий выше одного петаэлектронвольта, подтвердила наземная обсерватория LHAASO. Сам процесс ускорения частиц может протекать внутри релятивистских джетов в системе. Препринт работы доступен на сайте arXiv.org.

Лебедь Х-3 был открыт почти 60 лет назад, однако до сих пор этот яркий источник рентгеновского излучения остается предметом интереса астрофизиков. Это массивная рентгеновская двойная система, расположенная в 32 тысячах световых лет от Солнца и включающая в себя массивную звезду Вольфа — Райе и компактный объект (предположительно, черную дыру), которые обращаются вокруг друга друга с периодом 4,8 часа. Вещество со звезды активно перетекает на компактный объект, образуя аккреционный диск, а также релятивистские джеты. 

Уникальность Лебедя Х-3 заключается в том, что система одновременно демонстрирует свойства трех не до конца понятных по природе экстремальных астрофизических объектов: микроквазара, двойной системы со сверхкритическим режимом аккреции и ультраяркого рентгеновского источника. Еще одной нерешенной проблемой, связанной с Лебедем Х-3, стал его потенциальный статус природного ускорителя частиц до энергий на уровне тераэлектронвольт или даже петаэлектронвольт, который на протяжении долгого времени оставался недоказанным.

Группа астрофизиков во главе с Цао Чжэнем (Zhen Cao) из коллаборации LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) нашла убедительные доказательства того, что Лебедь Х-3 действительно способен ускорять частицы до огромных энергий. LHAASO представляет собой наземную обсерваторию, действующую с 2019 года и занимающую площадь около 1,36 квадратного километра. Она при помощи трех разных массивов детекторов регистрирует атмосферные ливни (каскады элементарных частиц), возникающие, когда частицы космических лучей и гамма-кванты с энергией от десяти тераэлектронвольт до тысячи петаэлектронвольт входят в атмосферу Земли. В текущей работе исследователи анализировали данные наблюдений массива KM2A за несколько лет. Массив состоит из надземных и подземных детекторов для регистрации электромагнитных и мюонных компонент широких атмосферных ливней в диапазоне энергий от десяти тераэлектронвольт до десяти петаэлектронвольт.

Оказалось, что в зоне расположения Лебедя Х-3 действительно есть точечный источник переменного гамма-излучения с энергией квантов выше 0,1 петаэлектронвольта, причем статистическая значимость его обнаружения составляет не менее 9,6 сигмы. Ученые обнаружили шесть фотонов с энергиями от 0,4 до 1 петаэлектронвольта и пять фотонов с энергиями выше 1 петаэлектронвольта, причем максимальное значение энергии квантов составило 3,73 петаэлектронвольта — это рекорд для фотонов, испущенных астрофизическими источниками.

Если учесть расстояние до Лебедя Х-3, то физические размеры источника гамма-излучения составляют не более 44 световых лет. Если также принять во внимание переменность потока гамма-излучения в масштабах месяца, это позволяет предполагать, что регионом рождения гамма-квантов может быть внутренняя часть джетов, где возможно ускорение протонов до энергий, превышающих 10 петаэлектронвольт. Взаимодействие этих протонов с ультрафиолетовыми и рентгеновскими фотонами, рождаемыми звездой Вольфа — Райе и в окрестностях, вблизи потенциальной черной дыры с массой менее 10 масс Солнца (и аккрециирующей вещество в сверхкритическом режиме), может достаточно хорошо объяснять как спектральные свойства наблюдаемого гамма-излучения, так и его временную модуляцию. Таким образом, Лебедь Х-3 можно отнести к категории суперпеватронов, что ранее предсказывалось теориями.

О том, как и зачем ученые ищут в космосе природные источники петаэлектронвольтовых частиц, мы рассказывали в материале «Да кто такой этот ваш певатрон».