Астрономы обнаружили космический ускоритель частиц который превосходит теоретические пределы
Международная группа астрономов сообщила о регистрации необычного космического явления, которое может поставить под вопрос существующие модели ускорения частиц. Наблюдения, выполненные с помощью обсерватории Large High Altitude Air Shower Observatory, расположенной на Тибетском нагорье, показали, что в окрестностях одного из объектов происходят процессы, приводящие к генерации гамма-излучения с экстремально высокими энергиями, ранее считавшимися трудно достижимыми для подобных систем.
Источником излучения оказалась пульсарная ветровая туманность, связанная с пульсаром PSR J1849-0001, расположенным в созвездии Орёл. Пульсарные ветровые туманности представляют собой расширенные облака релятивистских частиц, формирующиеся за счёт потери энергии быстро вращающейся нейтронной звезды. Эти структуры традиционно рассматриваются как естественные астрофизические ускорители частиц, однако новые данные показали, что их эффективность может быть значительно выше ожидаемой.
Обсерватория зарегистрировала гамма-кванты с энергиями порядка петаэлектронвольта, то есть около одного квадриллиона электрон-вольт. Такой уровень энергии свидетельствует о том, что в системе происходит крайне эффективное ускорение частиц до скоростей, выходящих за рамки привычных теоретических моделей. По сути, речь идёт о природном ускорителе, чьи характеристики сопоставимы с самыми экстремальными объектами во Вселенной и в отдельных аспектах их превосходят.
Для сравнения исследователи обратились к Крабовидной туманности, которая долгое время считалась эталонным примером пульсарной ветровой туманности и одним из наиболее мощных известных ускорителей частиц. Однако пульсар PSR J1849-0001 обладает значительно меньшей энергетической мощностью — примерно в 50 раз ниже, чем у источника Крабовидной туманности. Согласно стандартным моделям, это должно приводить к существенно более слабому высокоэнергетическому излучению, однако наблюдения показали обратную картину.
Метод исследования основан на регистрации атмосферных ливней — каскадов вторичных частиц, возникающих при попадании гамма-излучения в верхние слои земной атмосферы. Анализ этих ливней позволяет реконструировать энергию и направление первичных фотонов, приходящих из космоса. В результате было установлено, что спектр излучения туманности вокруг PSR J1849-0001 продолжается вплоть до примерно 2 петаэлектронвольт, что является крайне редким диапазоном даже для наиболее экстремальных астрофизических источников.
Дополнительный анализ, включающий рентгеновские наблюдения, позволил исследователям оценить физические условия внутри туманности, включая структуру магнитных полей и распределение частиц. Эти данные показали, что эффективность ускорения частиц достигает как минимум 27 процентов от теоретического предела в рамках идеализированных магнитогидродинамических условий. Для сравнения, у Крабовидной туманности этот показатель оценивается примерно в 16 процентов.
Из-за столь неожиданно высокой эффективности система получила неофициальное название «Ускоритель в Орле». Однако дальнейший анализ выявил фундаментальную проблему: если предположить, что ускорение происходит по стандартному сценарию, в зоне терминального удара пульсарного ветра, то требуемая эффективность должна превышать 100 процентов, что физически невозможно. Это означает, что наблюдаемые энергии не могут быть объяснены в рамках традиционной модели взаимодействия пульсарного ветра с окружающей средой.
Таким образом, исследователи приходят к выводу, что в системе должен действовать иной, пока не установленный механизм ускорения частиц. Это открытие указывает на существенный пробел в понимании процессов, происходящих в пульсарных ветровых туманностях, и может означать, что подобные объекты играют гораздо более значимую роль в формировании космических лучей сверхвысоких энергий, чем считалось ранее.
При этом учёные подчёркивают, что полученные оценки зависят от используемых моделей внутренней структуры туманности. Для окончательного подтверждения результатов потребуются дополнительные наблюдения в различных диапазонах электромагнитного спектра, а также данные будущих поколений высокоэнергетических детекторов. Это позволит определить, является ли «Ускоритель в Орле» уникальным исключением или же подобные механизмы широко распространены во Вселенной.
Результаты исследования в журнале Nature Astronomy.