Скрытая сила самых маленьких микроквазаров: исследование находит доказательства ускорения частиц

Представление художника о системе микроквазаров. Звезда и черная дыра вращаются по орбите друг вокруг друга на близком расстоянии: масса звезды захватывается черной дырой. В результате этого пара струй выбрасывается из черной дыры. Автор: Science Communication Lab for MPIK/HESS

Наша родная планета постоянно бомбардируется частицами из внешнего космоса. И хотя мы в основном знакомы с каменистыми метеоритами, которые происходят из нашей солнечной системы и создают завораживающие падающие звезды в ночном небе, именно мельчайшие частицы помогают ученым понять природу Вселенной.

Субатомные частицы, такие как электроны или протоны, прибывающие из межзвездного пространства и из-за его пределов, являются одними из самых быстрых частиц, известных во Вселенной, и известны как космические лучи.

Происхождение и механизмы ускорения наиболее энергичных из этих космических частиц остаются одной из самых больших загадок в астрофизике. Быстро движущиеся потоки материи (или «струи»), запускаемые из черных дыр, были бы идеальным местом для ускорения частиц, но подробности того, как и при каких условиях могут происходить процессы ускорения, неясны.

Самые мощные струи внутри нашей галактики возникают в микроквазарах: системах, состоящих из черной дыры звездной массы и «обычной» звезды. Пара вращается вокруг друг друга, и как только они оказываются достаточно близко, черная дыра начинает медленно поглощать своего компаньона. В результате этого струи запускаются из области, близкой к черной дыре.

За последние пару лет появляется все больше доказательств того, что микроквазарные струи являются эффективными ускорителями частиц. Однако неясно, какой вклад они вносят как группа в общее количество космических лучей в галактике. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо понять, все ли микроквазары способны ускорять частицы или только немногие счастливчики.

Микроквазары обычно классифицируются в зависимости от массы звезды в системе на системы с «малой массой» или «большой массой», причем системы с меньшей массой встречаются гораздо чаще.

Однако до сих пор доказательства ускорения частиц были найдены только для систем с большой массой. Например, микроквазар SS 433, который, как недавно выяснилось, является одним из самых мощных ускорителей частиц в галактике, содержит звезду с массой примерно в 10 раз больше массы Солнца.

Следовательно, считалось, что микроквазары малой массы недостаточно мощны, чтобы производить гамма-лучи.

Доктор Лаура Оливера-Ньето из Института ядерной физики имени Макса Планка в Гейдельберге, Германия (MPIK), и доктор Гиллем Марти-Девеса из Университета Триеста, Италия, сделали открытие, которое потрясает эту парадигму. Работа опубликована в The Astrophysical Journal Letters.

Они использовали 16-летние данные с детектора Большого телескопа на борту спутника НАСА Ферми, чтобы обнаружить слабый сигнал гамма-излучения, соответствующий положению GRS 1915+105, микроквазара со звездой меньше Солнца. Измерено, что сигнал гамма-излучения имеет энергию выше 10 ГэВ, что указывает на то, что система может ускорять частицы до еще более высоких энергий.

Наблюдения говорят в пользу сценария, в котором протоны ускоряются в струях, после чего они вырываются и взаимодействуют с близлежащим газом, производя гамма-фотоны. В статье они также используют данные с 45-метрового радиотелескопа Нобеяма в Японии, которые указывают на то, что вокруг источника достаточно газового материала для этого сценария.

Этот результат показывает, что даже микроквазары, содержащие маломассивную звезду, способны ускорять частицы. Поскольку это самый многочисленный класс, это открытие имеет значительные последствия для оценки вклада микроквазаров как группы в содержание космических лучей в нашей галактике.

Однако для дальнейшего выяснения причин, по которым некоторые системы эффективно ускоряют частицы, а все — нет, потребуются дополнительные обнаружения и исследования на нескольких длинах волн.

Больше информации: Guillem Martí-Devesa et al, Persistent GeV Counterpart to the Microquasar GRS 1915+105, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ada14f

Источник: Max Planck Society