Рекордные гамма-лучи обнаружены в ядре Млечного Пути

Результаты анализа GC. Автор: The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad772e

В обсерватории High-Altitude Water Cherenkov (HAWC), расположенной на высоте 13 000 футов над уровнем моря на вулкане Сьерра-Негра в Мексике, исследователи получают возможность заглянуть в жестокую тайну галактики Млечный Путь. Международная исследовательская группа под руководством Национальной лаборатории Лос-Аламоса наблюдала сверхвысокоэнергетические гамма-лучи на уровне более 100 тераэлектрон-вольт, впервые отследив их происхождение до галактического центра.

«Эти результаты дают возможность заглянуть в центр Млечного Пути и увидеть на порядок более высокие энергии, чем когда-либо наблюдавшиеся ранее», — сказал Пэт Хардинг, физик из Лос-Аламоса и главный исследователь проекта от Министерства энергетики.

«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».

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

Самые жестокие процессы во вселенной

Сам PeVatron остается не очень понятным явлением, но факт его существования в любой форме указывает на жестокий режим в галактическом центре. Известно, что эта область галактики Млечный Путь включает в себя сверхмассивную черную дыру, окруженную нейтронными звездами и белыми карликами, которые высасывают материал из соседних звезд.

Эта область окутана плотными газовыми облаками, температура которых достигает миллионов градусов, что затрудняет прямое оптическое наблюдение за регионом.

Наблюдение за гамма-лучами, таким образом, оказывается критически важным для освещения космических процессов, происходящих в этой экстремальной среде. Сверхвысокоэнергетические гамма-лучи возникают при наличии источника PeVatron, 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 остается загадкой. Энергии, задействованные в этом, указывают на некоторые из самых жестоких процессов, которые только можно себе представить во Вселенной: смерть звезды в сверхновой, удары и излучение, сопровождающие рождение звезды в условиях термоядерного синтеза, 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 коррелируют с размером нашей галактики», — сказал Хардинг. Например, поедание черной дырой другой черной дыры было бы событием, ожидаемым только за пределами нашей галактики».

Черенковский свет в обнаружении частиц

HAWC — уникальный эксперимент, разработанный для захвата относительно небольшого количества гамма-лучей сверхвысокой энергии, которые могут преодолевать межзвездные 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. Когда заряженные частицы проходят через резервуары со скоростью, превышающей фазовую скорость воды, они производят черенковский свет, или черенковское излучение, голубое свечение — 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.

Определение местонахождения конкретного сайта PeVatron

Эксперимент обсерватории HAWC был основан на новаторском эксперименте Milagro, гамма-обсерватории с 5-миллионным водным прудом и 700 детекторами света в горах Джемес за пределами Лос-Аламоса. Milagro собирал данные до 2008 года, а затем исследователи переместились на юг, в обсерваторию HAWC, чтобы иметь возможность захватывать частицы ближе к галактическому центру.

Исследовательская группа планирует расширить результаты своей обсерватории HAWC и сузить конкретное местонахождение источника PeVatron с помощью нового эксперимента, Southern Wide-field Gamma-ray Observatory, объекта, который строится в пустыне Атакама в Чили. Благодаря этому более широкому окну в центр Млечного Пути наука может ближе рассмотреть тайну в сердце нашей родной галактики.

Больше информации: A. Albert et al, Observation of the Galactic Center PeVatron beyond 100 TeV with HAWC, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad772e

Источник: Los Alamos National Laboratory