Международная группа астрономов заявила об обнаружении аномального космического события, которое может поколебать устоявшиеся представления об ускорении частиц. Исследования, проведенные с использованием обсерватории Large High Altitude Air Shower Observatory, находящейся на Тибетском нагорье, выявили, что вблизи одного из объектов происходят процессы, вызывающие образование гамма-излучения с исключительно высокими энергиями, которые ранее считались недостижимыми для подобных систем.
Излучение было вызвано пульсарной ветровой туманностью, ассоциированной с пульсаром PSR J1849-0001, находящимся в созвездии Орёл. Пульсарные ветровые туманности – это расширяющиеся облака релятивистских частиц, возникающие в процессе потери энергии быстро вращающейся нейтронной звезды. Ранее эти структуры считались естественными астрофизическими ускорителями частиц, но свежие данные свидетельствуют о том, что их эффективность может быть существенно больше, чем предполагалось.
Обсерватория зафиксировала гамма-кванты, энергия которых достигает петаэлектронвольт, что эквивалентно приблизительно квадриллиону электрон-вольт. Подобный уровень энергии указывает на чрезвычайно эффективное ускорение частиц до скоростей, которые не вписываются в существующие теоретические представления. Фактически, мы имеем дело с природным ускорителем, параметры которого сопоставимы с наиболее экстремальными объектами, существующими во Вселенной, а в некоторых отношениях даже превосходят их.
В качестве точки отсчета ученые рассмотрели Крабовидную туманность, традиционно являвшуюся образцом пульсарной ветровой туманности и одним из самых эффективных известных ускорителей частиц. При этом пульсар PSR J1849-0001 демонстрирует значительно меньшую энергетическую отдачу – она примерно в 50 раз ниже, чем у Крабовидной туманности. В соответствии с общепринятыми теоретическими представлениями, это должно было бы сопровождаться более слабым высокоэнергетическим излучением, но фактические данные свидетельствуют об обратном.
Принцип исследования заключается в фиксации атмосферных ливней – последовательности вторичных частиц, образующихся при взаимодействии гамма-излучения с верхними слоями атмосферы. Изучение этих ливней даёт возможность восстановить энергию и направление первичных фотонов, прибывающих из космоса. Полученные данные свидетельствуют о том, что спектр излучения туманности, окружающей PSR J1849-0001, простирается до приблизительно 2 петаэлектронвольт, что представляет собой исключительную редкость даже для самых мощных астрофизических объектов.
Благодаря дополнительному анализу, основанному на рентгеновских наблюдениях, ученым удалось определить физические параметры, существующие внутри туманности, включая конфигурацию магнитных полей и распределение частиц. Полученные данные свидетельствуют о том, что эффективность ускорения частиц составляет не менее 27 процентов от теоретического максимума, рассчитанного в идеализированных магнитогидродинамических условиях. В то же время, для Крабовидной туманности этот показатель оценивается приблизительно в 16 процентов.
Благодаря исключительно высоким показателям эффективности, система получила неофициальное наименование «Ускоритель в Орле». Тем не менее, последующий анализ выявил принципиальное затруднение: согласно стандартному сценарию ускорения и условиям зоны терминального удара пульсарного ветра, для достижения наблюдаемого эффекта потребовалась бы эффективность, превышающая 100 процентов, что противоречит физическим законам. Следовательно, объяснить наблюдаемые энергетические показатели в рамках общепринятой модели взаимодействия пульсарного ветра с окружающей средой не представляется возможным.
На основании проведенного исследования авторы полагают, что в системе функционирует неизвестный механизм, отвечающий за ускорение частиц. Полученные данные свидетельствуют о серьезном недостатке в нашем понимании процессов, протекающих в пульсарных ветровых туманностях, и могут указывать на то, что эти объекты оказывают более существенное влияние на формирование космических лучей сверхвысоких энергий, чем предполагалось.
Учёные также отмечают, что полученные значения определяются выбранными моделями внутренней структуры туманности. Для окончательного подтверждения выводов необходимы дополнительные наблюдения, охватывающие разные участки электромагнитного спектра, а также данные, полученные с помощью детекторов нового поколения. Это поможет установить, представляет ли «Ускоритель в Орле» собой уникальный случай или подобные процессы распространены во Вселенной.
Результаты исследования в журнале Nature Astronomy.