На протяжении десятилетий ученые ломают голову над резким изгибом в спектре энергии космических лучей, известным как «колено», примерно на уровне 3 ПэВ (петаэлектронвольт). Теперь, благодаря прорывным результатам, полученным в рамках Большой Высокогорной Обсерватории Воздушных Ливней (LHAASO), подтверждается, что мощные ускорители частиц в системах черных дыр — в частности, микроквазары — являются вероятным источником этого космического явления. Это открытие не только разрешает давнюю загадку, но и раскрывает критическую роль черных дыр в формировании высокоэнергетических космических лучей в нашей галактике.
Многолетняя Загадка «Колена» Космических Лучей
Космические лучи, высокоэнергетические частицы, бомбардирующие Землю из космоса, демонстрируют спектр, в котором количество частиц уменьшается с увеличением энергии. Однако примерно на уровне 3 ПэВ спектр приобретает отчетливую форму «колена» — внезапное падение количества частиц. Причина этого резкого изменения оставалась неизвестной почти 70 лет, при этом теории указывали на ограничения в астрофизических процессах ускорения.
Прорыв LHAASO: Микроквазары как Космические Ускорители
Недавние исследования, опубликованные в National Science Review и Science Bulletin, демонстрируют, что микроквазары — двойные системы, в которых черная дыра аккрецирует вещество от звезды-компаньона — способны ускорять частицы до энергий ПэВ. LHAASO систематически обнаружила ультравысокоэнергетические гамма-лучи от пяти микроквазаров: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 и Cygnus X-1.
Сверхвысокоэнергетическое излучение от SS 433 было обнаружено в перекрытии с гигантским атомным облаком, что указывает на то, что высокоэнергетические протоны ускоряются черной дырой и сталкиваются с окружающим веществом. Энергия протонов в этой системе превысила 1 ПэВ, при общей выходной мощности, эквивалентной взрыву четырех триллионов водородных бомб в секунду. V4641 Sgr продемонстрировал гамма-лучи, достигающие энергии 0,8 ПэВ, что делает его еще одним «сверх-ПэВ-ускорителем частиц».
Почему Остатков Сверхновых Недостаточно
Исторически остатки сверхновых считались основным источником космических лучей. Однако наблюдательные и теоретические исследования показали, что им не хватает энергии для ускорения частиц до уровней ПэВ и выше. Результаты LHAASO подтверждают, что микроквазары заполняют этот пробел, обеспечивая необходимые возможности ускорения для производства высокоэнергетической компоненты космических лучей.
Сложность Измерения Спектров Космических Лучей
Точное измерение спектров энергии космических лучей, особенно протонов, чрезвычайно сложно. Область «колена» разрежена, что делает обнаружение подобным поиску иголки в стоге сена. Наземные измерения осложняются атмосферными помехами, что затрудняет различение протонов и других ядер. LHAASO преодолел эти трудности, используя свое передовое наблюдательное оборудование и разработав многопараметрические методы измерения.
Множество Ускорителей Формируют Ландшафт Космических Лучей
Результаты LHAASO, в сочетании с данными космических экспериментов AMS-02 и DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), раскрывают сложную картину. В галактике содержится множество ускорителей, каждый из которых обладает своими уникальными возможностями и энергетическим диапазоном. «Колено» представляет собой предел ускорения источников, ответственных за генерацию высокоэнергетической компоненты, при этом микроквазары играют ключевую роль.
Связь Черных Дыр с «Коленом» Космических Лучей
Гибридная конструкция детектора LHAASO позволяет обнаруживать источники космических лучей с помощью ультравысокоэнергетических гамма-лучей, одновременно обеспечивая точное измерение космических частиц. Этот подход дает представление о возможностях ускорения источников на энергиях ПэВ и спектральных характеристиках, которые они вносят в космические лучи. Впервые структура «колена» была наблюдательно связана с конкретным типом астрофизического источника — системой джета черной дыры.
Китайский Прорыв в Исследовании Космических Лучей
LHAASO, спроектированный, построенный и эксплуатируемый китайскими учеными, лидирует в исследованиях высокоэнергетических космических лучей благодаря своей чувствительности как в гамма-астрономии, так и в точном измерении космических лучей. Серия его открытий оказала глобальное влияние, способствуя нашему пониманию экстремальных физических процессов во Вселенной.
В заключение, результаты LHAASO предоставляют убедительные доказательства того, что системы черных дыр, в частности микроквазары, являются основным источником высокоэнергетических космических лучей, ответственных за «колено» в энергетическом спектре. Этот прорыв не только разрешает многолетнюю загадку, но и устанавливает критическую связь между черными дырами и экстремальным ускорением частиц, происходящим в нашей галактике.
