Удалось ли наконец разгадать загадочное происхождение сверхвысокоэнергетического гамма-излучения?

Последние достижения гамма-астрономии позволили обнаружить излучение сверхвысоких энергий (СВЭ), превышающих 10¹⁴ электрон-вольт (эВ). Однако истинная природа их происхождения до сих пор остается одной из самых больших загадок астрофизики. Проанализировав одно из них, исследователи, возможно, нашли ценный ключ к разгадке после обнаружения странного молекулярного облака.

Гамма-излучение с энергией фотона от 100 ГэВ до 100 ТэВ известно как излучение очень высоких энергий. Гамма-лучи сверхвысоких энергий (СВЭ) имеют энергию свыше 100 ТэВ и могут быть использованы для углубления понимания истинной природы галактических певатронов. Это естественные ускорители, придающие субатомным частицам колоссальную энергию порядка петаэлектронвольта (10¹⁵ эВ).

Загадочное происхождение

Первое обнаружение гамма-излучения СВЭ было сделано в Крабовидной туманности. Впоследствии Высотная водная черенковская обсерватория (HAWC) сообщила еще о трех таких обнаружениях. Благодаря мастерству Большой высотной обсерватории воздушных потоков (LHAASO) в настоящее время каталогизировано около 43 излучений с энергией более 100 ТэВ.

Несмотря на то, что они все чаще обнаруживаются, истинная природа их происхождения остается для астрономов настоящей загадкой. Частицы, составляющие это излучение, настолько энергичны, что большинство астрофизических объектов не могут их породить. Более того, когда мы смотрим в ту сторону, откуда они приходят, мы не можем различить источник. Во-вторых, как эти частицы попадают в наши детекторы, не теряя своей энергии? В норме, взаимодействуя с диффузными космическими лучами, их энергия должна значительно уменьшаться.

Ранее высказывалось предположение, что пульсары могут быть достаточно хорошими кандидатами в качестве потенциальных источников гамма-излучения СВЭ. Однако большинство этих объектов рождается в результате взрыва сверхновой и, следовательно, окружено плотным облаком вещества и очень плотным излучением. Возникает вопрос, как частицы СВЭ могут преодолеть этот барьер, не разрушившись и не потеряв свою энергию. Хотя некоторые исследователи полагают, что те частицы, которые смогли преодолеть барьер, могут соответствовать гамма-излучению СВЭ, дискуссия остается открытой.

С целью расшифровки этого явления группа специалистов из Мэрилендского университета и Мичиганского технологического университета проанализировала LHAASO J2108+5157, обнаруженный вблизи молекулярного облака [MML2017]4607 (расположенного на расстоянии около 10 700 световых лет). "Чтобы понять природу этих объектов, необходимо проследить за источниками низкоэнергетического гамма-излучения СВЭ", — поясняют исследователи в своем предпубликационном документе, размещенном на сервере arXiv.

Молекулярное облако, влияющее на энергетическое излучение

Предыдущие наблюдения LHAASO J2108+5157 показали, что в непосредственной близости от нее нет рентгеновского аналога. Ближайшим рентгеновским источником является RX J2107.3+5202, затменная бинарная система, расположенная на расстоянии около 0.3°. С другой стороны, поскольку в окрестностях этого источника не обнаружено ни мощных пульсаров, ни остатков сверхновых, определить источник особенно сложно. Высказывались предположения, что этот загадочный источник может соответствовать либо адронной, либо лептонной модели. По первому сценарию излучение, выходящее из древнего остатка сверхновой, взаимодействует с присутствующим молекулярным облаком и преобразуется в гамма-излучение СВЭ. Что касается второго сценария, то спектральная сигнатура 4FGL J2108+5155, похожая на пульсар, также делает этот вариант правдоподобным.

Исследователи в новом исследовании повторно проанализировали LHAASO J2108+5157 с использованием массива телескопов для визуализации излучения высоких энергий (VERITAS) и обсерватории HAWC. Подтверждая предыдущие наблюдения, их результаты показали, что поблизости нет значительных выбросов радиации. Верхние пределы дифференциальных потоков энергии находились на уровне 1, 3,98 и 15,38 ТэВ. Эти пределы исключают адронный сценарий и больше указывают на лептонную модель, варьируясь от нескольких ТэВ до нескольких сотен ТэВ.

Однако исследовательская группа обнаружила в окрестностях LHAASO J2108+5157 новое молекулярное облако, которое не было учтено в предыдущих расчетах. После анализа было обнаружено, что его морфология может быть тесно связана с энергией, излучаемой LHAASO J2108+5157, вплоть до 2 ГэВ. "Это делает более вероятным, что гамма-излучение порождается адронным каналом, где молекулярные облака являются основной мишенью для частиц космических лучей, ускоренных неидентифицированными ПэВатронами", — заключают ученые. Будущие наблюдения с помощью Cherenkov Telescope Array (CTA) и углубленный анализ рентгеновского излучения могут подтвердить результаты данного исследования.