Астрономы впервые обнаружили бинарную звездную систему, излучающую гамма-лучи невероятной энергии выше 100 ТэВ
Ученые, отслеживая каскады частиц в атмосфере Земли, обнаружили бинарную звездную систему, которая работает на энергиях, ранее считавшихся маловероятными. На протяжении многих лет исследователи искали источники самых энергичных частиц в нашей галактике — космических лучей, несущих энергию, далеко превосходящую возможности созданных человеком ускорителей. Теперь наблюдения, проведенные с помощью обсерватории LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory), выявили двойную звездную систему, разгоняющую частицы за пределы критического энергетического барьера.
Система под названием LS I +61° 303 была обнаружена как источник гамма-излучения с энергией выше 100 тераэлектронвольт (ТэВ), что прочно помещает её в категорию ультравысокоэнергетических источников. Для сравнения, это более чем в 15 раз превышает энергию, которую несет один протон в самом мощном ускорителе, созданном человеком — Большом адронном коллайдере, где максимальная энергия на протон достигает около 6,5 ТэВ. Это первый случай, когда столь экстремальное излучение было подтверждено у гамма-лучевой бинарной системы, что позволяет предположить, что такие системы могут действовать как природные ускорители частиц петаэлектронвольтного диапазона (так называемые PeVatrons), то есть быть способными разгонять частицы до энергий в петаэлектронвольт (ПэВ, что в тысячу раз выше 100 ТэВ). Простыми словами, пара звезд продемонстрировала уровень ускорения частиц, который теории не предсказывали для подобных систем.
Зафиксировать столь экстремальное явление не так просто, как направить телескоп на небо. Гамма-лучи таких энергий не достигают детекторов напрямую — они сталкиваются с атмосферой Земли и вызывают каскады частиц, известные как воздушные ливни. Обсерватория LHAASO создана именно для регистрации этих каскадов. Отслеживая, как вторичные частицы распространяются и достигают земли, ученые могут реконструировать обратный путь, оценивая энергию и происхождение входящего гамма-луча. Этот подход позволил исследователям далеко превзойти предыдущие измерения системы LS I +61° 303, которые отслеживались лишь до энергий около 10 ТэВ. Благодаря чувствительности LHAASO команда расширила наблюдаемый спектр до почти 200 ТэВ, четко идентифицировав сигналы выше порога в 100 ТэВ. Этот скачок меняет классификацию системы, фактически переводя её в разряд ультравысокоэнергетических излучателей.
Система LS I +61° 303 крайне нестабильна. Массивная звезда и компактный объект — вероятно, нейтронная звезда или черная дыра — обращаются друг вокруг друга каждые 26,5 дней, постоянно изменяя свое окружение. Исследователи обнаружили, что выход гамма-излучения не просто возрастает и падает — он меняется по-разному на разных энергиях по мере движения по орбите. Эта связанная с энергией вариативность указывает на изменяющуюся среду ускорения. Такие параметры, как напряженность магнитного поля, плотность частиц и зоны столкновений, эволюционируют по мере движения звезд, что означает, что механизм, питающий гамма-лучи, никогда не находится в стационарном состоянии. Эта изменчивость также помогает идентифицировать участвующие частицы. В столь интенсивных магнитных полях электроны быстро теряют энергию и с трудом достигают ультравысоких энергий. Поэтому, когда появляются гамма-лучи выше 100 ТэВ, это убедительно указывает на то, что работу выполняют протоны или более тяжелые частицы. Ученые отмечают, что они идентифицировали 16 событий, похожих на фотоны, с энергией выше 100 ТэВ, на фоне примерно 5,1 фонового события. Такие частицы могут путешествовать дальше и сталкиваться с плотными звездными ветрами, производя гамма-лучи в ходе высокоэнергетических взаимодействий. Это отличает гамма-лучевые бинарные системы от более привычных кандидатов, таких как остатки сверхновых, где процесс ускорения сравнительно более стабилен. Здесь энергия излучения, по-видимому, привязана к орбитальному движению, что делает систему гораздо более динамичной и менее предсказуемой.
Происхождение космических лучей самых высоких энергий остается неразрешенной загадкой уже более века, отчасти потому, что ни один тип источников полностью не объясняет наблюдаемые явления. Этот результат добавляет нового претендента. Он показывает, что гамма-лучевые бинарные системы не просто энергичны — они могут достигать экстремальных условий, необходимых для работы в качестве PeVatron’ов. В то же время, это открытие усложняет существующие модели. Сильная зависимость от орбитальной фазы предполагает, что ускорение частиц может менять режимы или эффективность за короткие промежутки времени. Это гораздо труднее смоделировать, чем стационарные однократные события, подобные взрывам сверхновых. Однако все еще существуют неопределенности. Точный механизм, движущий ускорение, не установлен. Кроме того, хотя гамма-лучи указывают на адронные процессы, для прямого подтверждения потребуются дополнительные сигналы, такие как нейтрино. Следующие шаги, вероятно, будут сосредоточены на комбинировании наблюдений с использованием различных сигналов, включая гамма-лучи, космические лучи и нейтрино, чтобы создать более ясную картину происходящего внутри этих систем.
Исследование в журнале Physical Review Letters.