Учёные впервые зафиксировали сверхвысокоэнергетические гамма-лучи, исходящие из центра галактики Млечный Путь. Исследователи из Национальной лаборатории Лос-Аламоса и их коллеги из международной исследовательской группы обнаружили, что эти гамма-лучи имеют энергию более 100 тераэлектрон-вольт, что намного превышает любые ранее наблюдавшиеся энергии. Это открытие было сделано с помощью обсерватории High-Altitude Water Cherenkov (HAWC), расположенной на высоте 13 000 футов над уровнем моря на вулкане Сьерра-Негра (Sierra Negra) в Мексике.
По словам Пэта Хардинга, физика из Лос-Аламоса и главного исследователя проекта от Министерства энергетики, «эти результаты дают возможность заглянуть в центр Млечного Пути и увидеть на порядок более высокие энергии, чем когда-либо наблюдавшиеся ранее». Он также отметил, что «исследование впервые подтверждает наличие источника сверхвысокоэнергетического гамма-излучения PeVatron в месте в Млечном Пути, известном как Галактический центральный хребет, что означает, что галактический центр является местом протекания некоторых из самых экстремальных физических процессов во Вселенной».
Источник: The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad772e
Обсерватория HAWC собирает данные уже более семи лет, и за это время исследователи зафиксировали около 100 гамма-событий с энергией более 100 тераэлектрон-вольт. Анализ, проведённый Сохьюном Каркароном и опубликованный в The Astrophysical Journal Letters, показал, что эти данные позволяют напрямую изучать взаимодействие космических лучей с PeVatron и сравнивать его с другими наблюдениями, помогая точно определить процессы излучения и местоположение в центре Млечного Пути.
PeVatron — это источник сверхвысокоэнергетического гамма-излучения, который ускоряет частицы до энергии в миллион миллиардов электрон-вольт (ПэВ), что в квадриллион раз мощнее частиц света, выходящих из лампочки. Протоны космических лучей, генерируемые PeVatron, движутся со скоростью, превышающей 99% скорости света, взаимодействуя с плотным окружающим газом и приводя к образованию гамма-лучей сверхвысокой энергии.
Однако точная природа PeVatrons остаётся загадкой. Энергии указывают на некоторые из самых мощных процессов, которые происходят во Вселенной: гибель звезды, удары и излучение, сопровождающие рождение звезды в условиях термоядерного синтеза, чёрная дыра, поглощающая другую чёрную дыру.
HAWC — уникальный эксперимент, разработанный для регистрации относительно небольшого количества гамма-лучей сверхвысокой энергии, которые могут преодолевать межзвёздные расстояния и достигать Земли. На склонах вулкана Сьерра-Негра 300 зернохранилищ заполнены водой, дно каждого хранилища выложено фотоумножителями.
Когда частицы сверхвысокой энергии достигают атмосферы Земли, они распадаются на обширные воздушные ливни частиц с более низкой энергией, и проходят через резервуары со скоростью, превышающей фазовую скорость воды, что производит черенковское излучение, — эффект, несколько похожий на акустический удар.
Затем исследователи проанализировали временное распределение частиц, обнаруженных в резервуарах, чтобы понять энергетические режимы, действующие в этом процессе, и пришли к выводу, что источником частиц являются гамма-лучи сверхвысокой энергии.
Эксперимент обсерватории HAWC был основан на новаторском эксперименте Milagro, гамма-обсерватории, расположенной в горах Джемес за пределами Лос-Аламоса. Milagro использовал 5-миллионный галлонный водный резервуар и 700 детекторов света для регистрации частиц. Этот эксперимент собирал данные до 2008 года, после чего исследователи перенеслись в обсерваторию HAWC, чтобы иметь возможность более эффективно обнаруживать частицы.
Исследовательская группа планирует расширить результаты обсерватории HAWC и определить местонахождение источника PeVatron с помощью нового эксперимента, Southern Wide-field Gamma-ray Observatory, который строится в пустыне Атакама в Чили.