Космические лучи.
Так называются заряженные частицы, пронизывающие нашу Галактику. Они движутся невероятно быстро — быстрее любых устройств, созданных человечеством на Земле. Большой адронный коллайдер впечатляет. Но эти частицы посмеиваются над ним.
В основном это протоны. Есть и электроны, конечно. Но в подавляющем большинстве — протоны.
Десятилетиями астрономы знали: где-то должен быть источник. Космический ускоритель. «ПэВатрон» (peVatron). Проблема заключалась в доказательстве. Нельзя просто посмотреть на небо и сказать: «Да, это протоны». Без дополнительных данных это невозможно, чтобы не запутаться.
Международная команда под руководством Хиросимского университета справилась с задачей. Они подтвердили, что объект LHAASO J1911+1014u действительно является протонным ПэВатроном. Это не предположение. Это не «возможно». Это самый энергичный протонный источник, который нам удалось точно локализовать в Млечном Пути на данный момент.
Почему проблема с протонами имеет значение
Здесь возникает техническое препятствие: гамма-лучи.
Гамма-лучи — это высокоэнергетическое излучение. Они возникают, когда космические лучи сталкиваются с чем-то. Обычно это межзвездный газ. Иногда магнитные поля. Но проблема в следующем: и протоны, и электроны создают гамма-излучение.
Если вы видите всплеск гамма-лучей, как понять, какая частица его вызвала?
Электроны коварны. Они могут имитировать сигнатуры протонов. Это долгое время делало подтверждение существования «протонного ПэВатрона» почти невозможным. ПэВатрон ускоряет протоны до энергий свыше одного петаэлектронвольта (квадриллиона эВ). Это колоссальная величина. Это энергетический предел для стандартных ускорителей частиц нашей Галактики.
«Поиск ускорителя космических протонов с энергией выше петаэлектронвольта… является одной из самых захватывающих тем в современной астрофизике», — отметил Цунэфуми Мидзуно. Он является ведущим автором исследования и доцентом Центра астрофизической науки Хиросимского университета.
У нас были кандидаты. Дюжины объектов. Но не было доказательств. LHAASO J1911+1014u сиял с энергией свыше 0,1 ПэВ. Но без четкого разграничения между источниками протонов и электронов он оставался подозреваемым, а не уличенным преступником.
Три стрелы, одна мишень
Мидзуно процитировал старинную японскую пословицу: «Одна стрела легко ломается. Три связанные вместе — нет».
Он применил эту логику. Вместо того чтобы полагаться на один инструмент, команда объединила три различных набора данных. Им нужно было исключить электроны и изолировать протоны.
- Гамма-лучи из космоса: Большой телескоп с широкой площадью обзора Fermi (NASA) измерял гамма-излучение в районе 1 ГэВ. Это один миллиард электронвольт.
- Радиоволны с Земли: Японское исследование FOREST с использованием телескопа Nobeyama 45 м составило карту межзвездного газа.
- Рентгеновское излучение из космоса: Обсерватория Chandra (NASA) следила за слабыми рентгеновскими выбросами.
Результаты? Электроны были исключены. Решительно и окончательно.
Улики: Газ, гамма-лучи и тишина
Как они поняли, что это не электроны?
Улика 1: Диапазон энергий.
Гамма-излучение не обрывалось. Оно простиралось непрерывно от более чем 100 триллионов эВ до 400 миллионов эВ. Согласно законам физики, ускоритель электронов не обладает достаточной мощностью, чтобы поддерживать такую форму спектра. Протоны — обладают.
Улика 2: Карта газа.
«Ферми» зафиксировал гамма-лучи. Исследование FUGIN показало плотные облака межзвездного газа. Карты совпали идеально. Высокоэнергетические протоны сталкиваются с газом. Газ «бьет» по газу. Взрываются гамма-лучи. Если бы это были электроны, карта выглядела бы иначе. Электроны не взаимодействуют с газом так, чтобы создавать гамма-лучи таким образом. Они взаимодействуют со светом и магнитными полями. Эта корреляция была неопровержима.
Улика 3: Отсутствие шума.
Это более тонкий момент. Если бы там была популяция высокоэнергетических электронов, обсерватория Chandra увидела бы сильные диффузные рентгеновские лучи. Электроны спирально движутся в магнитных полях и испускают мощное рентгеновское излучение. Chandra же увидела… почти ничего. Очень слабое излучение. Тишина там, где должен быть шум.
«Три доказательства указывали на то, что это протонный ПэВатрон», — сказал Мидзуно.
Электроны были исключены. Корреляция с газом подтвердила протоны. Тишина с Chandra поставила точку.
LHAASO J1911+1014u: Где и что это
Объект находится в созвездии Орла (Aquila), рядом с Альтаиром. Это яркая звезда, завершающая Летний Треугольник. Мы все знаем этот треугольник в июльские ночи.
Сначала астрономы думали, что это остаток сверхновой. Просто умершая звезда, сбрасывающая свои оболочки. Но затем были обнаружены излучения свыше 100 ТэВ (триллионов электронвольт). Это изменило картину.
Это не просто остаток. Это работающий ускоритель.
Исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal, использует то, что команда называет «всеобъемлющим многополосным моделированием». Это сложный термин, означающий, что они изучили объект в радиодиапазоне, рентгеновском и гамма-диапазонах, заставив данные сойтись в единую картину. Только одно объяснение подошло: ускорение протонов.
За пределами одного источника
На этом всё не заканчивается.
Млечный Путь полон таких объектов. LHAASO уже отметило десятки других потенциальных протонных ПэВатронов. Теперь у нас есть шаблон. Подтвержденный пример. Базовая линия.
«Теперь мы планируем систематически изучить этих кандидатов», — заметил Мидзуно.
Мы переходим от догадок к проверке. Следующий шаг — выяснить, какие из других светящихся сгустков в нашей Галактике действительно разгоняют протоны до квадриллионных скоростей.
До тех пор мы знаем одну вещь наверняка. Космос ускоряет протоны быстрее, чем мы когда-либо могли представить. И теперь, наконец, мы можем это доказать.
«Это исследование достигнуто благодаря усилиям команды», — сказал Мидзуно. «Одна стрела легко ломается…»
Три стрелы. Связанные. Подтвержденные.
