Космічні промені.
Так називаються заряджені частинки, що пронизують нашу Галактику. Вони рухаються неймовірно швидко — швидше за будь-які пристрої, створені людством на Землі. Великий адронний колайдер вражає. Але ці частинки глузують з нього.
Здебільшого це протони. Є й електрони, звісно. Але в переважній більшості протони.
Десятиліттями астрономи знали: десь має бути джерело. Космічний прискорювач. “ПеВатрон” (peVatron). Проблема полягала у доказі. Не можна просто подивитися на небо та сказати: «Так, це протони». Без додаткових даних неможливо, щоб не заплутатися.
Міжнародна команда під керівництвом Хіросімського університету впоралася із завданням. Вони підтвердили, що об’єкт LHAASO J1911+1014u справді є протонним ПеВатроном. Не припущення. Це не “можливо”. Це найенергійніше протонне джерело, яке нам вдалося точно локалізувати в Чумацькому шляху на даний момент.
Чому проблема з протонами має значення
Тут виникає технічна перешкода: гамма-промені.
Гамма-промені – це високоенергетичне випромінювання. Вони виникають, коли космічні промені зіштовхуються з чимось. Зазвичай, це міжзоряний газ. Іноді магнітні поля. Але проблема в наступному: і протони, і електрони створюють гамма-випромінювання.
Якщо ви бачите сплеск гамма-променів, як зрозуміти, яка його частка викликала?
Електрони підступні. Вони можуть імітувати сигнатури протонів. Це тривалий час підтверджувало існування «протонного ПеВатрона» майже неможливим. ПеВатрон прискорює протони до енергій понад один петаелектронвольт (квадрилліона еВ). Це величезна величина. Це енергетична межа для стандартних прискорювачів частинок нашої Галактики.
«Пошук прискорювача космічних протонів з енергією вище за петаелектронвольт… є однією з найбільш захоплюючих тем у сучасній астрофізиці», — зазначив Цунефумі Мідзуно. Він є провідним автором дослідження та доцентом Центру астрофізичної науки Хіросімського університету.
В нас були кандидати. Дюжина об’єктів. Але не було доказів. LHAASO J1911+1014u сяяв з енергією понад 0,1 ПеВ. Але без чіткого розмежування між джерелами протонів та електронів він залишався підозрюваним, а не викритим злочинцем.
Три стріли, одна мішень
Мідзуно процитував старовинне японське прислів’я: * «Одна стріла легко ламається. Три пов’язані разом — ні»*.
Він застосував цю логіку. Замість покладатися на один інструмент, команда об’єднала три різні набори даних. Їм потрібно було виключити електрони та ізолювати протони.
- Гамма-промені з космосу: Великий телескоп з широкою площею огляду Fermi (NASA) вимірював гамма-випромінювання в районі 1 ГеВ. Це один мільярд електронвольтів.
- Радіохвилі із Землі: Японське дослідження FOREST з використанням телескопа Nobeyama 45 м склало карту міжзоряного газу.
- Рентгенівське випромінювання з космосу: Обсерваторія Chandra (NASA) стежила за слабкими рентгенівськими викидами.
Результати? Електрони було виключено. Рішуче та остаточно.
Докази: Газ, гамма-промені та тиша
Як вони зрозуміли, що це електрони?
Доказ 1: Діапазон енергій.
Гамма-випромінювання не обривалося. Воно сягало безперервно від більш ніж 100 трильйонів еВ до 400 мільйонів еВ. Відповідно до законів фізики, прискорювач електронів не має достатньої потужності, щоб підтримувати таку форму спектра. Протони – мають.
Доказ 2: Карта газу.
“Фермі” зафіксував гамма-промені. Дослідження FUGIN показало щільні хмари міжзоряного газу. Карти збіглися ідеально. Високоенергетичні протони стикаються із газом. Газ “б’є” по газу. Вибухають гамма-промені. Якби це були електрони, карта виглядала б інакше. Електрони не взаємодіють із газом так, щоб створювати гамма-промені таким чином. Вони взаємодіють зі світлом та магнітними полями. Ця кореляція була незаперечною.
Доказ 3: Відсутність шуму.
Це тонший момент. Якби там була популяція високоенергетичних електронів, обсерваторія Chandra побачила б сильні дифузні рентгенівські промені. Електрони спірально рухаються магнітних полях і випромінюють потужне рентгенівське випромінювання. * Chandra * ж побачила … майже нічого. Дуже слабке випромінювання. Тиша там, де має бути шум.
«Три докази вказували на те, що це протонний ПеВатрон», – сказав Мідзуно.
Електрони було виключено. Кореляція із газом підтвердила протони. Тиша з Chandra поставила крапку.
LHAASO J1911+1014u: Де і що це
Об’єкт знаходиться у сузір’ї Орла (Aquila), поряд з Альтаїром. Це яскрава зірка, що завершує Літній Трикутник. Ми всі знаємо цей трикутник у липневі ночі.
Спочатку астрономи думали, що це залишок наднової. Просто померла зірка, що скидає свої оболонки. Але потім було виявлено випромінювання понад 100 ТЕВ (трильйонів електронвольт). Це змінило картину.
Це не просто решта. Це працюючий прискорювач.
Дослідження, опубліковане в The Astrophysical Journal, використовує те, що команда називає «всеосяжним багатосмуговим моделюванням». Це складний термін, що означає, що вони вивчили об’єкт у радіодіапазоні, рентгенівському та гамма-діапазонах, змусивши дані зійтись у єдину картину. Тільки одне пояснення підійшло: прискорення протонів.
За межами одного джерела
На цьому все не закінчується.
Чумацький Шлях сповнений таких об’єктів. LHAASO вже відзначило десятки інших потенційних протонних ПеВатронів. Тепер ми маємо шаблон. Підтверджений приклад. Базова лінія.
“Тепер ми плануємо систематично вивчити цих кандидатів”, – зауважив Мідзуно.
Ми переходимо від припущень до перевірки. Наступний крок — з’ясувати, які з інших згустків, що світяться в нашій Галактиці, дійсно розганяють протони до квадрильйонних швидкостей.
До того часу ми знаємо одну річ, напевно. Космос прискорює протони швидше, ніж ми будь-коли могли уявити. І тепер нарешті ми можемо це довести.
«Це дослідження досягнуто завдяки зусиллям команди», – сказав Мідзуно. “Одна стріла легко ламається…”
Три стріли. Пов’язані. Підтверджені.
