Ученые обнаружили 12 потенциальных певатронов

На китайской обсерватории LHAASO зарегистрировали 530 фотонов с энергией между 0,1 и 1,4 петаэлектронвольта от 12 источников в пределах Млечного пути. Одним из них оказалась Крабовидная туманность, точное местоположение и природу остальных 11 источников определить не удалось. Такие наблюдения подтверждают существование галактических певатронов — космических ускорителей в нашей Галактике, которые разгоняют частицы до энергий порядка петаэлектронвольта. Их изучение позволит понять, что из себя представляют такие объекты и какие физические процессы лежат в их основе. Статья опубликована в журнале Nature.

Физики уже больше ста лет знают о существовании космических лучей — частиц высоких энергий, источниками которых являются внеземные объекты. Энергия таких частиц достигает огромных значений (вплоть до 1021 электронвольт — в сто миллионов раз больше, чем энергия частиц в кольце Большого адронного коллайдера), но ученые все еще не могут с уверенностью сказать, какие именно космические объекты могут приводить к такому ускорению. Кандидатами на такие ускорители являются области рождения звезд, пульсары, остатки сверхновых и массивные черные дыры, но однозначно связать конкретные космические объекты и космические лучи сверхвысоких энергий пока что не получается.

Особый интерес представляют космические лучи с энергией порядка петаэлектронвольта: в этой точке энергетического спектра космических лучей находится так называемое «колено» — излом кривой этого спектра. Такой излом ученые связывают с различной природой космических лучей с меньшими и большими значениями энергии. Частицы с энергией порядка петаэлектронвольта прилетают на Землю от космических ускорителей в пределах Млечного пути. Как раз гипотетические источники таких частиц и называют певатронами. Космические лучи с много большими энергиями, в свою очередь, могут долетать до нас и из других галактик, из-за чего падает и их поток.

Тем не менее, обнаружить певатроны в пределах нашей Галактики до недавнего времени не удавалось. Источником космических протонов с энергией вплоть до 0,04 петаэлектронвольта называли галактический центр, в частности, сверхмассивную черную дыру в центре Млечного пути. Но определение источников заряженных частиц усложнено тем, что последние в ходе своего движения успевают отклониться от начальной траектории из-за сильных магнитных полей в космическом пространстве и вокруг их источников. В этом случае физикам помогают высокоэнергетические фотоны, которые должны рождаться при взаимодействии ускоренных протонов и других заряженных частиц с космической средой. Такие гамма-кванты, в отличие от заряженных частиц, не отклоняются магнитным полем, а значит по их направлению движения можно определить положение их источника. Физики уже регистрировали такое гамма-излучение с энергией чуть выше 0,1 петаэлектронвольта, но для изучения певатронов необходима стабильная регистрация фотонов с существенно большими энергиями.

Теперь же Чжэнь Цао (Zhen Cao) вместе с коллегами представил результаты измерения обсерватории LHAASO: ученым удалось зарегистрировать 530 фотонов с энергией от 0,1 до 1,4 петаэлектронвольта от 12 источников в пределах Млечного пути. Сама обсерватория была запущена в апреле 2019 и предназначена для сверхчувствительной регистрации космических лучей и гамма-излучения высоких энергий. Она расположена на высоте 4410 метров в китайской провинции Сычуань и включает в себя целый комплекс различных детекторов, созданных для регистрации продуктов взаимодействия космических частиц и земной атмосферы — атмосферных ливней. Площадь установки достигает 1 квадратного километра, на котором равномерно расположены 5195 сцинтилляционных счетчиков и 1188 мюонных детекторов, а в центре которого расположены 3 водных черенковских детектора c общей площадью в 78 000 квадратных метров и 18 черенковских детекторов с широким полем зрения. Такая система детекторов позволяет добиться хорошего углового разрешения в одну треть угла и энергетического разрешения в 20 процентов при энергии регистрируемых частиц в 0,1 петаэлектронвольта.

Схема обсерватории LHAASO. Красные точки — сцинтилляционные счетчики, синие точки — мюонные детекторы, голубые прямоугольники — водные черенковские детекторы, черные прямоугольники — черенковские детекторы с широким полем зрения.

Статистическая точность того, что каждый из 12 обнаруженных объектов является источником гамма-квантов с энергией больше 0.1 петаэлектронвольт, оказалась больше 7σ. Максимальная энергия гамма-квантов в 1,42 ± 0,13 петаэлектровольта была зарегистрирована лишь для одного из источников, для остальных объектов это значение колеблется между 0.2 и 0.9 петаэлектронвольт. Одним из источников оказалась Крабовидная туманность — остаток взрыва сверхновой тысячелетней давности. Для обсерватории LHAASO эта туманность видима как точка на звездном небе, которая не перекрывается со схожими космическими объектами. Благодаря этому ученые смогли с уверенностью назвать ее источником зарегистрированных гамма-квантов сверхвысоких энергий, то есть, фактически, признать певатроном.

Положение обнаруженных источников на звездном небе.

Для оставшихся 11 объектов авторы работы не ставили себе задачу по определению их природы. Тем не менее, расположение обнаруженных источников говорит о том, что ими могут являться уже знакомые физикам ускорители протонов и электронов высоких энергий: пульсары, плерионы, остатки сверхновых и скопления молодых массивных звезд. В частности, один из таких источников может находиться в области звездообразования «Кокон Лебедя», из которого на Землю уже прилетали гамма-кванты сверхвысоких энергий. Кроме того, ученые измерили энергетические спектры обнаруженных источников, которые также помогут в изучении механизмов работы певатронов. Полученные результаты уже сейчас говорят об обилии певатронов в пределах Млечного пути вне зависимости от их природы. В дальнейшем пороговый поток излучения, необходимый обсерватории LHAASO для регистрации источника гамма-квантов сверхвысоких энергий, будет уменьшен как минимум на порядок. Это значит, что число обнаруженных певатронов будет быстро расти, а наблюдения за ними позволят физикам понять природу таких ускорителей космических лучей.

Энергетические спектры излучения от трех источников и угловые распределения их интенсивности.

Искать певатроны можно не только с помощью регистрации гамма-квантов сверхвысоких энергий: в этой задаче физикам могут помочь и астрофизические нейтрино. О том, как и зачем эти легчайшие частицы регистрируют с помощью нейтринных телескопов можно почитать в нашем материале «Кто стрелял».

Никита Козырев

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 18.05.2021 в 22:45

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии