Przez dziesięciolecia naukowcy zastanawiali się nad ostrym załamaniem widma energii promieni kosmicznych, zwanym „kolano”, przy około 3 PeV (petaelektronowoltach). Teraz przełomowe wyniki z Obserwatorium Pęchów Powietrznych na dużych wysokościach (LHAASO) potwierdzają, że prawdopodobne źródło tego kosmicznego zjawiska stanowią potężne akceleratory cząstek w układach czarnych dziur – w szczególności mikrokwazary. To odkrycie nie tylko rozwiązuje długoletnią tajemnicę, ale także ujawnia kluczową rolę czarnych dziur w powstawaniu wysokoenergetycznych promieni kosmicznych w naszej galaktyce.
Odwieczna tajemnica „kolana” promieni kosmicznych
Promienie kosmiczne, wysokoenergetyczne cząstki bombardujące Ziemię z kosmosu, wykazują widmo, w którym liczba cząstek maleje wraz ze wzrostem energii. Jednak przy około 3 PeV widmo przyjmuje wyraźny kształt „kolana” – nagły spadek liczby cząstek. Przyczyna tej dramatycznej zmiany pozostawała nieznana przez prawie 70 lat, a teorie wskazywały na ograniczenia w procesach astrofizycznego przyspieszania.
Przełom w LHAASO: mikrokwazary jako kosmiczne akceleratory
Niedawne badania opublikowane w National Science Review i Science Bulletin pokazują, że mikrokwasary — układy podwójne, w których czarna dziura akreuje materię z gwiazdy towarzyszącej — są zdolne do przyspieszania cząstek do energii PeV. LHAASO systematycznie wykrywało ultrawysokoenergetyczne promienie gamma z pięciu mikrokwazarów: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 i Cygnus X-1.
Wykryto emisję ultrawysokiej energii z SS 433 nakładającą się na gigantyczny obłok atomowy, co wskazuje, że wysokoenergetyczne protony są przyspieszane przez czarną dziurę i zderzają się z otaczającą materią. Energia protonów w tym układzie przekraczała 1 PeV, a całkowita moc wyjściowa odpowiadała eksplozji czterech bilionów bomb wodorowych na sekundę. V4641 Sgr wykazał, że promienie gamma osiągają energię 0,8 PeV, co czyni go kolejnym „akceleratorem cząstek super-PeV”.
Dlaczego nie ma wystarczającej liczby pozostałości po supernowych
Historycznie rzecz biorąc, za główne źródło promieni kosmicznych uważano pozostałości supernowych. Badania obserwacyjne i teoretyczne wykazały jednak, że nie mają one wystarczającej energii, aby przyspieszyć cząstki do poziomów PeV i wyższych. Wyniki LHAASO potwierdzają, że mikrokwazary wypełniają tę lukę, zapewniając niezbędne możliwości przyspieszania, aby wytworzyć wysokoenergetyczny składnik promieni kosmicznych.
Trudność pomiaru widm promieni kosmicznych
Dokładny pomiar widm energii promieni kosmicznych, zwłaszcza protonów, jest niezwykle trudny. Okolica kolana jest rzadka, co sprawia, że wykrywanie przypomina szukanie igły w stogu siana. Pomiary naziemne komplikują zakłócenia atmosferyczne, co utrudnia rozróżnienie protonów od innych jąder. Projekt LHAASO przezwyciężył te wyzwania, korzystając z zaawansowanego sprzętu obserwacyjnego i opracowując techniki pomiarów wieloparametrowych.
Wiele akceleratorów kształtuje krajobraz promieni kosmicznych
Wyniki LHAASO w połączeniu z danymi z eksperymentów kosmicznych AMS-02 i DArk Matter Particle Explorer (DAMPE) ujawniają złożony obraz. Galaktyka zawiera wiele akceleratorów, każdy z własnymi unikalnymi możliwościami i zakresem energii. „Kolano” reprezentuje granicę przyspieszenia źródeł odpowiedzialnych za generację składnika wysokoenergetycznego, przy czym kluczową rolę odgrywają mikrokwazary.
Połączenie czarnych dziur z „kolano” promieni kosmicznych
Hybrydowa konstrukcja detektora LHAASO umożliwia detekcję źródeł promieniowania kosmicznego za pomocą promieni gamma o ultrawysokiej energii, zapewniając jednocześnie precyzyjne pomiary cząstek kosmicznych. Podejście to zapewnia wgląd w możliwości przyspieszania źródeł energii PeV i charakterystykę widmową, jaką przyczyniają się one do emisji promieni kosmicznych. Po raz pierwszy strukturę „kolana” powiązano obserwcyjnie z konkretnym typem źródła astrofizycznego – układem dżetów czarnej dziury.
Chiński przełom w badaniach nad promieniami kosmicznymi
LHAASO, zaprojektowany, zbudowany i obsługiwany przez chińskich naukowców, przoduje w badaniach wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego ze względu na swoją czułość zarówno w astronomii promieniowania gamma, jak i precyzyjnych pomiarach promieniowania kosmicznego. Seria jego odkryć wywarła globalny wpływ, pogłębiając naszą wiedzę na temat ekstremalnych procesów fizycznych we Wszechświecie.
Podsumowując, wyniki LHAASO dostarczają przekonujących dowodów na to, że układy czarnych dziur, w szczególności mikrokwazary, są głównym źródłem wysokoenergetycznego promieni kosmicznych odpowiedzialnych za „kolano” w widmie energetycznym. Ten przełom nie tylko rozwiązuje zagadkę sprzed kilkudziesięciu lat, ale także ustanawia krytyczny związek między czarnymi dziurami a ekstremalnym przyspieszeniem cząstek zachodzącym w naszej galaktyce.
