Учёные обнаружили самые мощные во Вселенной ускорители частиц

Согласно недавнему исследованию, сверхновые звезды могут временно становиться «ПэВатронами» — естественными ускорителями частиц, способными производить космические лучи с энергией, превышающей петаэлектронвольт (ПэВ). Это явление возникает, когда ударная волна от взрыва проходит через плотный слой околозвездного вещества, увеличивая максимальную энергию ускоряемых частиц. Однако этот эффект длится всего несколько месяцев, что может объяснить отсутствие прямых наблюдений активных ПэВатронов.

Межгалактические космические лучи в основном состоят из высокоэнергетических частиц — преимущественно протонов и, реже, ядер тяжелых атомов. Большая их часть отфильтровывается магнитным полем Земли и атмосферой, но ничтожная доля достигает поверхности. По оценкам, примерно раз в секунду через наше тело проходит один космический луч — вполне правдоподобная частота, хотя ее необходимо подкрепить более точным источником.

Эти лучи охватывают широкий спектр энергий — от нескольких электронвольт (эВ) до нескольких петаэлектронвольт (ПэВ), то есть миллиона миллиардов электронвольт. Для сравнения, это примерно в 1000 раз больше энергии, выделяемой при столкновениях в Большом адронном коллайдере (БАК). Астрофизики давно предполагали, что самые высокоэнергетические лучи (свыше ПэВ) могут возникать в результате экстремальных явлений, таких как вспышки сверхновых.

Способность сверхновой ускорять частицы зависит, в частности, от скорости звездных ветров, возникающих при взрыве, а также от плотности и силы магнитных полей в ее ближайшем окружении. Особенно энергичные сверхновые, развивающиеся в плотной среде, таким образом, представляются вероятными кандидатами на генерацию излучения в диапазоне петаэлектронвольт (ПэВ).

Однако, несмотря на прогресс в области детектирования, ни одна сверхновая до сих пор не была идентифицирована как способная ускорять частицы свыше 100 тераэлектронвольт (ТэВ). Известные остатки, такие как Тихо или Кассиопея A, считавшиеся перспективными, показали излучение значительно ниже ожидаемых порогов.

Тем не менее, наши инструменты фиксируют излучение порядка ПэВ, хотя его источники пока не могут быть точно определены. В недавнем исследовании, опубликованном на платформе arXiv, группа ученых под руководством Потсдамского университета (Германия) предложила объяснение: некоторые сверхновые могут ненадолго становиться «петатронами», когда взаимодействуют с плотным околозвездным облаком.

«Крайне важно определить, какие источники галактических космических лучей способны ускорять частицы до "излома" спектра — нескольких ПэВ, и в частности, могут ли остатки сверхновых быть их причиной», — пишут исследователи. «Мы изучаем влияние плотных околозвездных оболочек на ускорение частиц ударными волнами сверхновых в первые годы после взрыва, чтобы оценить, могут ли такие взаимодействующие сверхновые выступать в роли петатронов».

Плотная оболочка, усиливающая излучение

Современные модели ускорения частиц в очень молодых остатках сверхновых предполагают, что околозвездная среда обычно формируется свободно текущими звездными ветрами. Однако наблюдения показывают, что некоторые сверхновые могут расширяться и создавать гораздо более плотную околозвездную материю. Это явление может происходить из-за эпизодических выбросов незадолго до взрыва.

Хотя точная частота этого процесса еще требует уточнения, он кажется относительно распространенным. Он приводит к значительной потере массы — иногда эквивалентной двум солнечным массам — из-за мощных ветров, срывающих внешние слои звезды незадолго до ее коллапса. Если скорость этих ветров остается низкой, вокруг умирающей звезды может сформироваться компактная и плотная оболочка.

Некоторые предыдущие исследования предполагали, что такая среда может создавать условия для образования петатронов. В своей новой работе ученые углубили эту гипотезу, используя гидродинамический код моделирования «Pion», чтобы смоделировать последствия краткого, но интенсивного периода потери массы — по их оценкам, до 2 солнечных масс в год. Эта высокая цифра требует сопоставления с реальными наблюдениями за яркими голубыми переменными (LBV), о которых идет речь.

Эти звезды — голубые гипергиганты с медленными, но значительными колебаниями светимости, известные своими мощными выбросами вещества. В своих симуляциях исследователи одновременно решали уравнения переноса космических лучей, магнитной турбулентности и динамики плазмы, используя метод «пробных частиц».

Их результаты показывают, что когда происходит взрыв сверхновой, ударная волна проходит через плотную околозвездную оболочку, вызывая резкое усиление магнитного поля. Это поле разгоняет частицы до экстремальных скоростей, позволяя им достигать уровня ПэВ при прохождении через оболочку, прежде чем рассеяться в пространстве.

Однако этот режим длится недолго. По расчетам ученых, первые пять месяцев после взрыва достаточно, чтобы энергия излучения превысила порог ПэВ, но затем его интенсивность быстро снижается. Эта кратковременность объясняет, почему до сих пор не удалось напрямую обнаружить активный петатрон: хотя сверхновые в нашей галактике вспыхивают в среднем раз в несколько десятков лет, ни одна из них пока не произошла достаточно близко, чтобы можно было зафиксировать этот короткий энергетический всплеск.