Китайский горный астрономический комплекс LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) зафиксировал, что двойная звёздная система Циgnus X-3, или Лебедь X-3, выступает в роли наиболее эффективного известного ускорителя субатомных частиц во Вселенной. Полученные данные свидетельствуют о том, что этот астрономический объект способен придавать частицам космического излучения скорость, эквивалентную не менее чем 30 петаэлектронвольтам (ПэВ), что существенно выше прежних оценок потенциала подобных источников в пределах нашей галактики.

Расположение системы Лебедь X-3 – приблизительно на расстоянии 7200 световых лет от Земли, в направлении созвездия Лебедя. Данное исследование было проведено совместной международной группой ученых LHAASO под руководством академика Чжэнь Цао из Китайской академии наук.

Полученные результаты имеют колоссальное значение для науки, так как они противоречат многолетним представлениям о верхней границе энергии, которую могут передавать частицам галактические ускорители. До недавнего времени считалось, что максимальная энергия заряженных частиц в пределах Млечного Пути составляет около 1 ПэВ. Однако система Лебедь X-3 смогла превысить этот показатель более чем на тридцать раз.

Для сопоставления: Большой адронный коллайдер (ЦЕРН) обеспечивает энергию столкновений примерно в 14 тераэлектронвольт, что равносильно 0,014 ПэВ. Следовательно, космический источник способен ускорять частицы до энергий, которые во двести раз больше возможностей самого мощного ускорителя на Земле.

Ограничение приблизительно в один петаватт было обусловлено общеизвестной характеристикой энергетического распределения космических лучей, известной как «колено». В данной области спектра происходит резкое изменение угла наклона, и на протяжении многих лет предполагалось, что это указывает на естественный предел возможностей ускорителей частиц в галактиках.

В течение последних лет обсерватория LHAASO зарегистрировала несколько необычных явлений – пэватронов, которые обладают способностью разгонять частицы до энергий свыше 1 ПэВ. К таким источникам относится, в частности, Крабовидная туманность и другие объекты, излучающие энергию порядка от 1 до 2 ПэВ. Тем не менее, регистрация энергии на уровне 30 ПэВ стала наиболее значительным прорывом за всю историю подобных исследований. Некоторые ученые уже окрестили систему Лебедь X-3 «суперпэватроном».

Система X-3 Лебедя является микроквазаром – конфигурацией, включающей компактный объект (которым может быть чёрная дыра или нейтронная звезда) и массивную звезду-компаньон. Компактное тело поглощает материю из звёздного потока своего партнёра. Материя, падающая на него, порождает мощные джеты, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, где частицы достигают колоссальных энергий.

Одним из ключевых результатов исследования стало констатирование того факта, что поток гамма-излучения сверхвысоких энергий не является стабильным. Специалисты зафиксировали его периодические всплески с интервалом в 4,8 часа – периодом, который полностью соответствует известному орбитальному циклу двойной звёздной системы.

Благодаря этому X-3 Лебедя стал первым установленным переменным источником гамма-излучения сверхвысоких энергий. Более того, зафиксированные вспышки гамма-излучения совпали по времени с данными космического телескопа Fermi NASA, что подтверждает одновременную фиксацию идентичных физических процессов различными инструментами в широком диапазоне энергетических уровней.

Исследование этих всплесков активности дало возможность определить размеры области, где происходит ускорение частиц. Выяснилось, что радиус этой зоны приблизительно равен трем солнечным радиусам. В этом относительно небольшом пространстве, находящемся вблизи компактного небесного тела, частицы получают энергию до рекордной величины – 30 ПэВ.

Авторы исследования полагают, что полученные данные предоставляют новые перспективы для изучения физических процессов, протекающих рядом с чёрными дырами и нейтронными звёздами. Понимание того, как эти объекты способны передавать отдельным частицам столь колоссальные энергии, позволит углубить знания о природе двойных компактных систем и механизмах возникновения космического излучения в нашей галактике.

Обсерватория LHAASO находится на высоте 4410 метров над уровнем моря в провинции Сычуань (Китай). Она охватывает территорию площадью около 1,36 квадратного километра и принадлежит Институту физики высоких энергий Китайской академии наук. С момента ввода комплекса в эксплуатацию он сделал ряд существенных открытий в области космических лучей и гамма-астрономии, а обнаружение энергии рекордной величины в системе Лебедь X-3 стало наиболее выдающимся результатом наблюдений.

Исследование опубликовано в журнале National Science Review.