Изучение космического излучения сверхвысоких энергий является одной из наиболее актуальных задач современной астрономии. Долгое время считалось, что источниками этого излучения являются активные ядра галактик, удалённых от Земли на миллионы световых лет. Однако последние данные, полученные международной Высокогорной черенковской гамма-обсерваторией (HAWC), позволяют сделать вывод, что джеты, запускаемые астрофизическими источниками в нашей галактике, также являются источниками гамма-фотонов чрезвычайно высокой энергии.
Это открытие радикально меняет понимание механизмов, ответственных за формирование космического излучения сверхвысоких энергий. Стало ясно, что объекты внутри Млечного Пути, называемые микроквазарами, также являются источниками гамма-фотонов чрезвычайно высокой энергии.
С момента открытия космического излучения Виктором Гессом в 1912 году астрономы считали, что объекты, ответственные в нашей галактике за ускорение этих частиц до высочайших энергий, представляют собой остатки сверхновых. Однако последние данные HAWC показывают, что источниками излучения сверхвысоких энергий являются микроквазары.
Обсерватория HAWC была возведена на склоне вулкана Сьерра-Негра в Мексике с целью регистрации частиц с особенно высокими энергиями. Объект состоит из 300 стальных резервуаров с водой, оснащённых фотоумножителями, чувствительными к вспышкам света, известным как черенковское излучение. Оно появляется в резервуаре, когда в него попадает частица, движущаяся быстрее скорости света в воде.
Обычно HAWC захватывает гамма-фотоны с энергией от сотен гигаэлектронвольт до сотен тераэлектронвольт. Это энергии, которые в триллион раз превышают энергию фотонов видимого света и более чем в дюжину раз превышают энергию протонов, ускоренных на ускорителе Большого адронного коллайдера.
Сверхмассивные чёрные дыры внутри квазаров, т. е. активные ядра некоторых галактик (объекты с массами, исчисляющиеся сотнями миллионов солнечных масс) ускоряют и поглощают материю из окружающего их аккреционного диска. Во время этого процесса очень узкие и длинные потоки матери выбрасываются из окрестностей полюсов чёрной дыры в обоих направлениях вдоль её оси вращения. Они движутся со скоростями, часто близкими к скорости света, что приводит к образованию ударных волн — и именно там производятся фотоны чрезвычайно высоких энергий, достигающих сотен тераэлектронвольт.
«Фотоны, обнаруженные в микроквазарах, обычно имеют гораздо более низкую энергию, чем фотоны квазаров. Обычно речь идёт о значениях порядка десятков гигаэлектронвольт. Между тем, мы наблюдали нечто совершенно новое в данных, зарегистрированных детекторами обсерватории HAWC: фотоны, исходящие из микроквазара, находящегося в нашей галактике, и при этом несущие энергию в десятки тысяч раз выше типичной», — говорит доктор Сабрина Казанова, которая вместе с доктором Сяоцзе Ваном из Мичиганского технологического университета и доктором Дэчжи Хуаном из Мэрилендского университета первой наблюдала аномалию.
Источником фотонов с энергией до 200 тераэлектронвольт оказался микроквазар V4641 Sagittarii (V4641 Sgr). Он находится на расстоянии около 20 000 световых лет от Земли. Главную роль здесь играет чёрная дыра с массой около шести солнечных масс, притягивающая материю из звезды с массой в три раза больше массы Солнца. Объекты вращаются вокруг общего центра масс, совершая один оборот друг вокруг друга чуть менее чем за три дня.
Джет, испускаемый системой V4641 Sgr, направлен ??в сторону Солнечной системы. В этой конфигурации наблюдатель с Земли имеет релятивистски искажённое восприятие времени материи в начале и конце джета: фронт начинает казаться моложе, чем он есть на самом деле. В результате струя, по-видимому, распространяется в пространстве со сверхсветовой скоростью, в данном случае в девять раз превышающей скорость света.
«Примечательно, что микроквазар V4641 Sgr оказался не уникальным. Чрезвычайно энергичные фотоны были обнаружены не только в нём, но и в других микроквазарах, обнаруженных обсерваторией LHAASO», — добавляет доктор Казанова.
Открытие представляет интерес не только для учёных, изучающих космические лучи. Оно доказывает, что на относительно небольшом расстоянии от Земли должны работать механизмы формирования джетов и производства сверхэнергетических фотонов, аналогичные тем, что действуют в ядрах активных далёких галактик, масштабированные соответствующим образом по отношению к массе чёрной дыры. Эти процессы в микроквазарах происходят в гораздо более удобном для человека масштабе времени — в течение дней, а не сотен тысяч или миллионов лет.
Более того, фотоны, испускаемые микроквазарами, не преодолевают миллионы световых лет космического вакуума, где они могут рассеиваться или поглощаться во время взаимодействия с фотонами космического фонового излучения. Это означает, что астрофизики впервые получили возможность проводить всесторонние и практически неискажённые наблюдения за процессами, имеющими ключевое значение в эволюции галактик.
«Это открытие открывает новые возможности для изучения космических лучей и их источников. Теперь мы можем изучать микроквазары как источники сверхвысоких энергий и понять, как они производят эти частицы», — говорит доктор Казанова.
Исследование, в котором участвовали учёные из международной Высокогорной черенковской гамма-обсерватории (HAWC), было опубликовано в журнале Nature.