Китайская обсерватория исследования космических лучей зафиксировала 530 космических фотонов со сверхвысокими энергиями в диапазоне от 100 тераэлектронвольт до 1,4 петаэлектронвольт, происходящих от 12 галактических источников. Одним из них оказалась Крабовидная туманность; точно установить другие не удалось, хотя некоторые из них находятся вблизи остатков Сверхновых, туманностей с пульсарами и областей звёздообразования.
Космические лучи — это поток высокоэнергетических ультрарелятивистских частиц, в основном состоящий из протонов и более тяжёлых атомных ядер и содержащий некоторое количество электронов и позитронов и гамма-излучения. Их открыли в 1912 году, и их происхождение — одна из актуальных задач астрофизики и космонавтики (ограничивающий фактор для межпланетных перелётов — разработка защиты от галактического космического излучения). Космические лучи различного происхождения. Диапазон энергий космического излучения — от одного мегаэлектронвольта (МэВ) до 1020 — 1021 эВ. Чем выше энергия, тем частицы ловятся реже с разбросом от множества в секунду до одной в год. Они могут происходить от Солнца, от различных объектов в Галактике или вне её. Галактические частицы с энергией выше 1 петаэлектронвольта (ПэВ, или 1015 эВ) предполагают существование так называемых певатронов (PeVatrons) — «космических ускорителей», то есть неких объектов, которые могут ускорять частицы до энергий в масштабах петаэлектронвольт. Открытие таких структур может дать ответ и на загадку происхождения галактических космических лучей. Для сравнения — Большой адронный коллайдер может ускорять частицы до энергии только в 0,01 ПэВ.
Предполагается, что космические лучи с энергиями до нескольких ПэВ рождаются в определённых областях Галактики. Их возможные источники — остатки сверхновых, сверхмассивная чёрная дыра в центре Галактики, пульсары или связанные с ними туманности (плерионы) и области интенсивного звёздообразования (молекулярные облака, в частности, области ионизированного водорода HII). Сами лучи, то есть в основном частицы с электрическим зарядом, по пути интенсивно взаимодействуют со средой и меняют направление движения, поэтому установить их источник по направлению прилёта на детектор нельзя, но можно исследовать сопутствующее таким объектам гамма-излучение.
Модель широкого атмосферного ливня от попадания в атмосферу космического протона с энергией 1 ТэВ.
Основная характеристика электронных и протонных певатронов — фотоны сверхвысоких энергий (0,1 — 1 ПэВ). Космические частицы взаимодействуют с межзвёздной средой возле таких областей своего образования или ускорения, в результате чего возникает гамма-излучение с характерной энергией фотонов порядка 10% энергии исходных космических частиц. Поскольку гамма-частицы не имеют заряда, они не отклоняются магнитными полями по пути к наблюдателю, и по направлению, откуда зафиксирован поток, можно определить положение «космического ускорителя». Астрономы уже находили доказательства существования протонного певатрона в центре нашей Галактики, где было зафиксировано излучение в жёсткой части спектра с энергией 0,04 ПэВ. В плоскости Млечного Пути детектировали гамма-лучи с энергиями немного выше 0,1 ПэВ. Однако уверенное подтверждение существования певатронов требует обнаружения гамма-лучей со значительно большими энергиями.
Обсерватория космических лучей LHAASO и расположение её детекторов частиц.
Для поиска источников гамма-лучей сверхвысоких энергий использовались данные обсерватории LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory), расположенной в горах Тибета на высоте 4,4 километра и предназначенной для исследования космических лучей и гамма-излучения. Как следует из названия, она занимается изучением широких атмосферных ливней (air showers) — потоков вторичных частиц в земной атмосфере, образующихся при попадании в атмосферу высокоэнергетической космической частицы. Такие «ливни» в результате каскада реакций от одной ультрарелятивистской частицы или гамма-фотона могут у поверхности Земли достигать километров в ширину, и для исследования свойств исходной частицы плоды её жизнедеятельности в атмосфере собирают при помощи детекторов на большой площади. Например, детекторы частиц обсерватории в Тибете расставлены «квадратно-гнездовым способом» по площади в 1,36 кв.км и включают 5 тысяч сцинтилляционных счётчиков и тысячу подземных детекторов мюонов (её общий вид показан на открывающей картинке). Обсерватория ещё находится в процессе строительства, и пока развёрнута половина её мощностей. С помощью работающей части комплекса LHAASO по наблюдениям за 11 месяцев удалось зафиксировать 530 фотонов от 12 источников с энергиями выше 100 тераэлектронвольт (0,1 ПэВ). Энергия фотонов от двух из этих источников превосходила 0,8, а для одного достигла 1,4 ПэВ. Статья коллаборации LHAASO авторов из 32 институтов из Китая и других стран по результатам этих исследований вышла в мае 2021 года в Nature.
Высокоэнергетические источники гамма-лучей на карте звёздного неба. Nature 594, 33 (2021).
Единственным чётко выраженным источником фотонов стала Крабовидная туманность. Это плерион, то есть остатки Сверхновой SN 1054, в которых находится пульсар (цифры в обозначении сверхновой обычно указывают на год, когда наблюдалась её вспышка). Эта туманность в созвездии Тельца выделяется компактными размерами, большой светимостью пульсара из-за его вращения и значительным магнитным полем. Кроме того, это популярный объект наблюдений со времени открытия — в каталоге Мессье ему присвоен первый номер (M1). Размер плерионов определяется областью, в которой электроны, ускоряясь ударными волнами, взаимодействуют с потоком материала туманности. Как правило, они составляют до 10 парсек. Это гидродинамические, обычно асимметричные образования заключены в более крупные и более стабильные структуры, составленные релятивистскими электронами и позитронами, которые уже вышли за пределы туманности и диффузно распространяются в межзвёздной среде. В предыдущих исследованиях установлено, что значительная часть распределённых источников гамма-лучей с высокими энергиями связана с этими гигантскими гало. Подробнее об исследовании плерионов как остатков сверхновых можно прочитать в более ранней статье.
Остальные источники расположены на небесной сфере вдоль плоскости Млечного Пути. Рядом с ними на небесной сфере астрономы выделили известные объекты, которые могут быть как источниками гамма-лучей, так и ускорителями космических частиц. Это пульсары и плерионы, остатки сверхновых и молодые массивные звёздные скопления. Однозначной привязки для каждого из источников гамма-излучения к какому-либо объекту нет — в квадрате поиска 1° для каждого источника можно найти по 2—3 возможных кандидата, кроме единственного подходящего источника объекта LHAASO J0534+2202 — Крабовидной туманности. Независимо от природы этих объектов, обнаруженные высокоэнергетические фотоны указывают на существование «космических ускорителей»-певатронов в нашей Галактике.
Млечный Путь над Гоби, Внутренняя Монголия.
Источник: