Изучая потоки частиц в атмосфере Земли, ученые идентифицировали бинарную звездную систему, использующую энергии, которые ранее считались маловероятными. В течение многих лет исследователи искали источники наиболее энергичных частиц в нашей галактике – космических лучей, обладающих энергией, значительно превышающей возможности созданных человеком ускорителей. Недавние наблюдения, сделанные с использованием обсерватории LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory), показали двойную звездную систему, приводящую частицы в движение с энергией, выходящей за пределы установленного энергетического порога.
LS I +61° 303 была идентифицирована как источник гамма-излучения с энергией, превышающей 100 тераэлектронвольт (ТэВ), что позволяет отнести её к ультравысокоэнергетическим источникам. Для сопоставления, эта величина более чем в 15 раз больше энергии, которую несет один протон в Большом адронном коллайдере – самом мощном ускорителе, созданном человеком, где максимальная энергия на протон составляет около 6,5 ТэВ. Это первое зафиксированное подтверждение такого экстремального излучения у гамма-лучевой бинарной системы, что позволяет предположить, что подобные системы могут выступать в роли природных ускорителей частиц, способных достигать энергий в петаэлектронвольт (ПэВ). Такие ускорители, как предполагается, разгоняют частицы до энергий, в тысячу раз превышающих 100 ТэВ. Иными словами, пара звезд показала уровень ускорения частиц, который не был предсказан теоретическими моделями для систем данного типа.
Фиксация столь необычного явления требует большего, чем просто наведение телескопа на ночное небо. Гамма-лучи, обладающие подобной энергией, не достигают детекторов непосредственно – они взаимодействуют с атмосферой Земли, порождая каскады частиц, известные как воздушные ливни. Обсерватория LHAASO предназначена для регистрации именно этих каскадов. Анализируя распространение и прибытие на землю вторичных частиц, ученые могут восстановить обратный путь, оценивая энергию и источник первичного гамма-луча. Такой метод позволил исследователям добиться результатов, значительно превосходящих предыдущие измерения системы LS I +61° 303, которые были ограничены энергиями порядка 10 ТэВ. Благодаря высокой чувствительности LHAASO, команда расширила диапазон наблюдаемых энергий почти до 200 ТэВ, однозначно выявив сигналы, превышающие порог в 100 ТэВ. Этот прорыв меняет классификацию системы, фактически перенося её в категорию ультравысокоэнергетических источников излучения.
Система LS I +61° 303 характеризуется высокой степенью нестабильности. Массивная звезда и компактный объект — скорее всего, нейтронная звезда или черная дыра — совершают оборот друг вокруг друга каждые 26,5 дней, постоянно изменяя окружающее пространство. Ученые зафиксировали, что интенсивность гамма-излучения не только увеличивается и уменьшается, но и меняется по-разному в зависимости от энергии в процессе орбитального движения. Эта зависимость вариативности от энергии свидетельствует об изменчивой среде, где происходят процессы ускорения. Такие характеристики, как напряженность магнитного поля, плотность частиц и области столкновений, претерпевают изменения в ходе движения звезд, что указывает на то, что механизм, генерирующий гамма-лучи, никогда не находится в устойчивом состоянии. Данная изменчивость также позволяет определить, какие частицы задействованы в этом процессе. В условиях столь сильных магнитных полей электроны быстро теряют энергию и испытывают трудности в достижении ультравысоких значений. Поэтому, когда регистрируются гамма-лучи с энергией более 100 ТэВ, это служит веским доказательством того, что в работе участвуют протоны или более тяжелые частицы. Исследователи сообщают об идентификации 16 событий, напоминающих фотоны, с энергией выше 100 ТэВ, на фоне примерно 5,1 фонового события. Такие частицы способны преодолевать большие расстояния и сталкиваться с плотными звездными потоками, производя гамма-лучи в результате высокоэнергетических взаимодействий. Это отличает гамма-лучевые двойные системы от более распространенных кандидатов, таких как остатки сверхновых, где процесс ускорения, как правило, более стабилен. Здесь энергия излучения, по всей видимости, связана с орбитальным движением, что делает систему гораздо более динамичной и менее предсказуемой.
Проблема возникновения космических лучей, обладающих самыми высокими энергиями, не имеет решения уже больше столетия, во многом из-за того, что ни один из известных типов источников не способен полностью объяснить наблюдаемые данные. Новое исследование добавляет потенциального кандидата, демонстрируя, что бинарные системы, излучающие гамма-лучи, не просто обладают высокой энергетикой — они могут достигать экстремальных условий, необходимых для функционирования в качестве PeVatron’ов. Вместе с тем, это открытие усложняет существующие теоретические представления. Заметная зависимость от фазы орбиты указывает на то, что ускорение частиц может изменять свои характеристики или эффективность в короткие промежутки времени. Это значительно труднее воспроизвести в моделях, чем стационарные, однократные события, например, взрывы сверхновых. Тем не менее, остаются вопросы без ответа. Конкретный механизм, лежащий в основе ускорения, пока не установлен. Кроме того, хотя гамма-лучи свидетельствуют об адронных процессах, для их прямого подтверждения потребуются дополнительные признаки, такие как нейтрино. Вероятно, следующие шаги будут направлены на объединение данных, полученных с использованием различных сигналов, включая гамма-лучи, космические лучи и нейтрино, чтобы создать более четкое представление о происходящих внутри этих систем процессах.
Исследование в журнале Physical Review Letters.