Микроквазары — ускорители самых энергичных космических лучей в Млечном Пути: выводы LHAASO

Ученые, работающие в рамках Лаборатории высокогорного ливня (LHAASO) в Китае, представили убедительные доказательства того, что микроквазары являются основными механизмами, разгоняющими наиболее высокоэнергетичные космические лучи в пределах нашей Галактики. Микроквазары — это тесные системы, где черная дыра активно поглощает материю от звезды-компаньона, генерируя релятивистские струи, которые, как теперь предполагается, служат мощнейшими природными ускорителями частиц. Это открытие имеет фундаментальное значение, поскольку оно разрешает давнюю астрофизическую загадку, известную как «колено» в энергетическом спектре космических лучей, которое наблюдается около 70 лет.

Исследования, проведенные коллективом китайских и международных специалистов, включая ученых из Института физики высоких энергий Академии наук КНР, были опубликованы в рецензируемых изданиях National Science Review и Science Bulletin. Обсерватория LHAASO, расположенная на высоте 4410 метров над уровнем моря на горе Хайцзы в уезде Даочэн, провинция Сычуань, Китай, начала свои наблюдения в апреле 2019 года. Эта установка, занимающая площадь около 145 гектаров, спроектирована для комплексного изучения гамма-лучей и космических лучей, что позволяет ей достигать высокой чувствительности, особенно в диапазоне энергий выше 10 ТэВ.

Ключевым моментом в новом открытии стала систематическая регистрация LHAASO гамма-излучения сверхвысоких энергий, исходящего от пяти конкретных микроквазаров, среди которых фигурирует SS 433. Анализ данных по SS 433 показал, что энергия ускоренных в нем протонов превышает 1 ПэВ, а мощность излучения в секунду сопоставима с энергией, высвобождаемой при взрыве 400 триллионов водородных бомб. «Колено» в спектре космических лучей, представляющее собой резкое падение потока частиц при энергиях свыше 3 ПэВ, долгое время служило индикатором предельной мощности известных источников, таких как остатки сверхновых, которые, по расчетам, не могли достичь таких энергий.

Новые результаты LHAASO, интегрированные с данными космических аппаратов, таких как AMS-02 и DAMPE, выявили существование множества популяций ускорителей в Галактике, каждая со своим энергетическим потолком. Микроквазары, по всей видимости, являются теми самыми мощными ускорителями, чья граница и соответствует этому «колену». Академик Китайской академии наук и ведущий исследователь LHAASO, Цао Чжэнь, подчеркнул, что эти исследования не только раскрывают основные механизмы происхождения космических лучей, но и значительно углубляют понимание экстремальных физических процессов, протекающих в системах с черными дырами.

Проект LHAASO был утвержден Государственной комиссией по развитию и реформам Китая 31 декабря 2015 года. Его конструкция включает Квадратно-километровую решетку (KM2A), Массив водяных черенковских детекторов (WCDA) и Массив черенковских телескопов с широким полем зрения (WFCTA). Примечательно, что в феврале 2024 года LHAASO уже сообщала об обнаружении гигантской структуры «пузыря» из ультравысокоэнергетичных гамма-лучей в области формирования звезд в созвездии Лебедя, содержащей фотоны с энергией до 2.5 ПэВ, что также указывало на присутствие «супер-ускорителя». Подтверждение роли микроквазаров как основных ускорителей до 20 ПэВ существенно уточняет современные астрофизические модели, касающиеся ускорения частиц в Галактике.

Успех LHAASO в преодолении атмосферных помех для точного измерения протонного спектра в диапазоне ПэВ, благодаря многопараметрическим методикам, выводит точность наземных измерений на уровень спутниковых. Это достижение, обеспеченное разработкой передовых технологий, таких как 20-дюймовые фотоумножители, значительно расширило наблюдательные возможности обсерватории.