Десятиліттями вчені ламали голову над різким вигином в енергетичному спектрі космічних променів, відомому як «коліно», близько 3 ПеВ (петаелектронвольт). Тепер проривні результати Великої висотної обсерваторії повітряних дощів (LHAASO) підтверджують, що потужні прискорювачі частинок у системах чорних дір, зокрема мікроквазари, є ймовірним джерелом цього космічного явища. Це відкриття не тільки розв’язує давню таємницю, але й розкриває критичну роль чорних дір у формуванні космічних променів високої енергії в нашій галактиці.
Багаторічна таємниця «коліна» космічних променів
Космічні промені, високоенергетичні частинки, які бомбардують Землю з космосу, демонструють спектр, у якому кількість частинок зменшується зі збільшенням енергії. Однак приблизно при 3 ПеВ спектр набуває чіткої форми «коліна» — раптового падіння кількості частинок. Причина цієї різкої зміни залишалася невідомою протягом майже 70 років, оскільки теорії вказували на обмеження процесів астрофізичного прискорення.
Прорив LHAASO: мікроквазари як космічні прискорювачі
Нещодавні дослідження, опубліковані в National Science Review і Science Bulletin, демонструють, що мікроквазари — подвійні системи, в яких чорна діра накопичує матерію із зірки-компаньйона, — здатні прискорювати частинки до енергії PeV. LHAASO систематично виявив гамма-промені надвисокої енергії від п’яти мікроквазарів: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 і Cygnus X-1.
Було виявлено, що випромінювання надвисокої енергії від SS 433 перекривається гігантською атомною хмарою, що вказує на те, що протони високої енергії прискорюються чорною дірою та стикаються з навколишньою речовиною. Енергія протонів у цій системі перевищила 1 ПеВ, а загальна вихідна потужність еквівалентна вибуху чотирьох трильйонів водневих бомб за секунду. V4641 Sgr продемонстрував, що гамма-промені досягають енергії 0,8 ПеВ, що робить його ще одним «супер-ПеВ прискорювачем частинок».
Чому не вистачає залишків наднових
Історично залишки наднових вважалися основним джерелом космічного випромінювання. Однак спостережні та теоретичні дослідження показали, що вони не мають достатньо енергії для прискорення частинок до рівнів PeV і вище. Результати LHAASO підтверджують, що мікроквазари заповнюють цю прогалину, забезпечуючи необхідні можливості прискорення для створення високоенергетичного компонента космічних променів.
Складність вимірювання спектрів космічних променів
Точне вимірювання енергетичних спектрів космічних променів, особливо протонів, надзвичайно складне. Область коліна розріджена, що робить виявлення схожим на пошук голки в стозі сіна. Наземні вимірювання ускладнюються атмосферними перешкодами, що ускладнює розрізнення протонів та інших ядер. LHAASO подолав ці проблеми, використовуючи своє сучасне обладнання для спостереження та розробивши багатопараметричні методи вимірювання.
Кілька прискорювачів формують ландшафт космічних променів
Результати LHAASO в поєднанні з даними космічних експериментів AMS-02 і DArk Matter Particle Explorer (DAMPE) розкривають складну картину. Галактика містить багато прискорювачів, кожен зі своїми унікальними можливостями та діапазоном енергії. «Коліно» являє собою межу прискорення джерел, відповідальних за генерацію високоенергетичного компонента, при цьому ключову роль відіграють мікроквазари.
Зв’язок чорних дір з «коліном» космічних променів
Гібридна конструкція детектора LHAASO дозволяє виявляти джерела космічного випромінювання за допомогою гамма-променів надвисокої енергії, одночасно забезпечуючи точні вимірювання космічних частинок. Цей підхід дає розуміння прискорювальних можливостей джерел енергії PeV і спектральних характеристик, які вони вносять у космічні промені. Вперше структуру «коліна» спостережено пов’язали з певним типом астрофізичного джерела — струминною системою чорної діри.
Китайський прорив у дослідженні космічних променів
LHAASO, розроблений, створений і експлуатований китайськими вченими, є лідером у дослідженні космічних променів високої енергії завдяки своїй чутливості як в гамма-астрономії, так і в точних вимірюваннях космічного випромінювання. Серія його відкриттів мала глобальний вплив, покращивши наше розуміння екстремальних фізичних процесів у Всесвіті.
На завершення результати LHAASO надають переконливі докази того, що системи чорних дір, зокрема мікроквазари, є основним джерелом космічних променів високої енергії, відповідальних за «коліно» в енергетичному спектрі. Цей прорив не тільки розгадує таємницю десятиліть давності, але й встановлює важливий зв’язок між чорними дірами та екстремальним прискоренням частинок, яке відбувається в нашій галактиці.
