Рекордное гамма-излучение обнаружено в ядре Млечного Пути

В обсерватории High-Altitude Water Cherenkov (HAWC), расположенной на высоте 13 000 футов над уровнем моря на вулкане Сьерра-Негра в Мексике, исследователи получили возможность заглянуть в загадку жестокости в галактике Млечный Путь. Международная исследовательская группа под руководством Лос-Аламосской национальной лаборатории наблюдала сверхвысокоэнергетические гамма-лучи с энергией более 100 тераэлектронвольт, впервые проследив их происхождение до галактического центра.

«Эти результаты — взгляд на центр Млечного Пути с энергией на порядок выше, чем когда-либо ранее», — говорит Пэт Хардинг, физик из Лос-Аламоса и главный исследователь проекта от Министерства энергетики.

«Исследование впервые подтверждает наличие источника сверхвысоких энергий гамма-излучения PeVatron в месте Млечного Пути, известном как хребет Галактического центра, что означает, что в галактическом центре происходят самые экстремальные физические процессы во Вселенной».

Обсерватория HAWC собирает данные уже более семи лет. За это время исследователи наблюдали около 100 гамма-событий с энергией более 100 тераэлектронвольт.

Как говорится в анализе под руководством Сохьюна Ю Каркарона , опубликованном в журнале The Astrophysical Journal Letters, эти данные позволяют напрямую изучить взаимодействие космических лучей с PeVatron и сравнить их с другими наблюдениями, что помогает точно определить процессы выброса и местоположение прямо в центре галактики Млечный Путь.

Самые бурные процессы во Вселенной

Сам по себе PeVatron остается малоизученным явлением, но сам факт его существования в любой форме указывает на жестокий режим в галактическом центре. Известно, что в этом регионе галактики Млечный Путь находится сверхмассивная черная дыра, окруженная нейтронными звездами и белыми карликами, которые отбирают вещество у близлежащих звезд.

Область окутана плотными газовыми облаками, температура которых достигает миллионов градусов, что препятствует прямому оптическому наблюдению региона.

Поэтому наблюдение гамма-излучения оказывается критически важным для освещения космических процессов, происходящих в этой экстремальной среде. Сверхвысокоэнергетические гамма-лучи возникают благодаря наличию источника PeVatron, который ускоряет частицы до энергии в миллион миллиардов электрон-вольт (ПэВ), что в квадриллион раз мощнее, чем частицы света, вылетающие из электрической лампочки.

Протоны космического излучения, генерируемые PeVatron, движутся со скоростью, превышающей 99% скорости света, взаимодействуют с плотным окружающим газом и приводят к появлению сверхвысокоэнергетических гамма-лучей.

Однако точная природа певатронов остается загадкой. Задействованные энергии указывают на одни из самых бурных процессов, какие только можно представить во Вселенной: смерть звезды в сверхновой, удары и излучение, сопровождающие рождение звезды, богатой термоядерным синтезом, черная дыра, поглощающая другую черную дыру.

«Многие из этих процессов настолько редки, что вы не ожидаете, что они происходят в нашей галактике, или они происходят в масштабах, которые не соотносятся с размером нашей галактики», — говорит Хардинг. Например, черная дыра, пожирающая другую черную дыру, — это событие, которое можно ожидать только за пределами нашей галактики».

Черенковское излучение в обнаружении частиц

HAWC — это уникальный эксперимент, направленный на улавливание относительно небольшого количества сверхвысокоэнергетических гамма-лучей, которые могут преодолеть межзвездные расстояния и достичь Земли. На склонах вулкана Сьерра-Негра 300 бункеров для зерна заполнены водой, а на дне каждого бункера установлены детекторы с фотоумножителями.

Когда сверхвысокоэнергетические частицы достигают атмосферы Земли, они распадаются на обширные воздушные ливни частиц с более низкой энергией. Когда заряженные частицы проходят через резервуары со скоростью, превышающей фазовую скорость воды, они производят черенковский свет, или черенковское излучение, — голубое свечение, эффект, несколько схожий со звуковым ударом.

Затем исследователи проанализировали временное распределение частиц, обнаруженных в разных резервуарах, чтобы понять энергетические режимы игры, и пришли к выводу, что источником частиц являются сверхвысокоэнергетические гамма-лучи.

Определение местоположения конкретного объекта PeVatron

Эксперимент в обсерватории HAWC был основан на новаторском эксперименте Milagro — гамма-обсерватории с прудом на 5 миллионов галлонов воды и 700 световыми детекторами в горах Джемез недалеко от Лос-Аламоса. Milagro принимал данные до 2008 года, а затем исследователи переехали на юг, в обсерваторию HAWC, чтобы иметь возможность фиксировать частицы ближе к галактическому центру.

Исследовательская группа планирует расширить выводы обсерватории HAWC и сузить конкретное местонахождение источника PeVatron с помощью нового эксперимента — Южной широкопольной гамма-обсерватории, строящейся в пустыне Атакама в Чили. Расширив окно в центр Млечного Пути, наука сможет ближе познакомиться с тайной, лежащей в сердце нашей родной галактики.

Работа HAWC на высоте 13 000 футов позволяет исследователям получать данные, которые не были доступны ранее. Наблюдение за высокоэнергетическими гамма-лучами открывает новое окно в понимание тех процессов, которые происходят в центральной области Млечного Пути. Открытие источников PeVatron обозначает возможность изучения потока космических лучей, ускоряемых в экстремальных условиях, где спиртошедший процесс рождения и разрушения звезд соперничает с гравитационными явлениями, исходящими от черных дыр.

По мере накопления данных HAWC ученые надеются не только подтвердить существование PeV источников, но и детально понять механизмы их работы, что откроет новые горизонты в астрофизике. Эти исследования могут привести к разработке теорий, которые объясняют связи между гамма-излучением и другими формами астрономических процессов, такими как рождение и смерть звезд, а также формирование тяжелых элементов во Вселенной.

Наблюдения HAWC будут продолжаться, предоставляя все новые открытия и возможности для глубокого анализа. Ученые уверены, что результаты их экспериментов способны изменить представление о самой природе материи и энергии в нашей галактике и за её пределами.