Po celá desetiletí si vědci lámali hlavu nad ostrým ohybem energetického spektra kosmického záření, známého jako „koleno“, při asi 3 PeV (petaelektronvolty). Průlomové výsledky z observatoře LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) nyní potvrzují, že pravděpodobné zdroje tohoto kosmického jevu jsou výkonné urychlovače částic v systémech černých děr – zejména mikrokvasary. Tento objev nejenže řeší dlouhodobou záhadu, ale také odhaluje kritickou roli černých děr při tvorbě vysokoenergetického kosmického záření v naší galaxii.
Věčné tajemství „kolena“ kosmických paprsků
Kosmické záření, vysokoenergetické částice, které bombardují Zemi z vesmíru, vykazují spektrum, ve kterém se počet částic s rostoucí energií snižuje. Při asi 3 PeV však spektrum nabývá zřetelného tvaru „kolena“ – náhlý pokles počtu částic. Příčina této dramatické změny zůstala neznámá téměř 70 let, přičemž teorie poukazují na omezení v astrofyzikálních procesech zrychlení.
Průlom LHAASO: Mikrokvasary jako kosmické urychlovače
Nedávný výzkum publikovaný v National Science Review a Science Bulletin ukazuje, že mikrokvasary – binární systémy, ve kterých černá díra nahromadí hmotu z doprovodné hvězdy – jsou schopné urychlovat částice na energie PeV. LHAASO systematicky detekoval ultravysokoenergetické gama záření z pěti mikrokvasarů: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 a Cygnus X-1.
Ultra-vysokoenergetická emise z SS 433 byla detekována překrývající se s obřím atomovým mrakem, což naznačuje, že vysokoenergetické protony jsou urychlovány černou dírou a srážejí se s okolní hmotou. Energie protonů v tomto systému přesáhla 1 PeV, s celkovým výkonem ekvivalentním explozi čtyř bilionů vodíkových bomb za sekundu. V4641 Sgr demonstroval gama záření dosahující energie 0,8 PeV, což z něj udělalo další „urychlovač částic super-PeV“.
Proč není dostatek zbytků supernovy
Historicky byly zbytky supernov považovány za hlavní zdroj kosmického záření. Pozorovací a teoretické studie však ukázaly, že nemají dostatek energie k urychlení částic na úroveň PeV a výše. Výsledky LHAASO potvrzují, že mikrokvasary zaplňují tuto mezeru tím, že poskytují potřebné urychlovací schopnosti k produkci vysokoenergetické složky kosmického záření.
Obtížnost měření spekter kosmického záření
Přesné měření energetických spekter kosmického záření, zejména protonů, je extrémně obtížné. Oblast kolen je řídká, takže detekce je podobná hledání jehly v kupce sena. Pozemní měření jsou komplikována atmosférickou interferencí, což ztěžuje rozlišení mezi protony a jinými jádry. LHAASO tyto výzvy překonalo pomocí svého pokročilého pozorovacího zařízení a vyvinutím multiparametrových měřicích technik.
Krajinu kosmického záření formuje více urychlovačů
Výsledky LHAASO v kombinaci s daty z vesmírných experimentů AMS-02 a DArk Matter Particle Explorer (DAMPE) odhalují komplexní obrázek. Galaxie obsahuje mnoho urychlovačů, z nichž každý má své vlastní jedinečné schopnosti a energetický rozsah. „Koleno“ představuje hranici zrychlení zdrojů odpovědných za tvorbu vysokoenergetické složky, přičemž klíčovou roli hrají mikrokvasary.
Spojení černých děr s „koleno“ kosmických paprsků
Hybridní design detektoru LHAASO umožňuje detekci zdrojů kosmického záření pomocí ultravysokoenergetického záření gama a současně poskytuje přesná měření kosmických částic. Tento přístup poskytuje vhled do akceleračních schopností zdrojů energie PeV a spektrálních charakteristik, které přispívají ke kosmickému záření. Poprvé byla „kolenní“ struktura pozorováním spojena se specifickým typem astrofyzikálního zdroje – jetovým systémem černé díry.
Čínský průlom ve výzkumu kosmického záření
LHAASO, navržený, postavený a provozovaný čínskými vědci, je průkopníkem ve výzkumu vysokoenergetického kosmického záření díky své citlivosti jak v astronomii gama záření, tak v přesných měřeních kosmického záření. Jeho série objevů měla globální dopad a posunula naše chápání extrémních fyzikálních procesů ve vesmíru.
Závěrem lze říci, že výsledky LHAASO poskytují přesvědčivé důkazy, že systémy černých děr, zejména mikrokvasary, jsou primárním zdrojem vysokoenergetického kosmického záření odpovědného za „koleno“ v energetickém spektru. Tento průlom nejen řeší desítky let starou záhadu, ale také vytváří kritické spojení mezi černými dírami a extrémním zrychlením částic, ke kterému dochází v naší galaxii.
