Ученые связали загадочный «излом» в спектре космических лучей с черными дырами

Результаты, опубликованные 16 ноября обсерваторией LHAASO, позволили решить загадку, которая оставалась неразгаданной почти 70 лет — причину резкого снижения интенсивности космических лучей выше 3 ПэВ, известного как «излом» спектра.

Два новых исследования, опубликованных в журналах National Science Review и Science Bulletin, демонстрируют, что микро-квазары, образующиеся в аккреционных системах черных дыр, являются мощными ускорителями частиц в Млечном Пути и, вероятно, являются источником этого «излома».

Микро-квазары как ускорители частиц

Черные дыры, поглощая вещество звезд-компаньонов в двойных системах, образуют «микро-квазары» и создают релятивистские струи. В этом исследовании обсерватория LHAASO впервые систематически обнаружила сверхвысокоэнергетические гамма-лучи от пяти микро-квазаров: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 и Cygnus X-1.

Особенно показательным стало излучение от SS 433, которое перекрывалось с гигантским атомным облаком, что убедительно свидетельствует об ускорении протонов черной дырой и их столкновении с окружающим веществом.

Энергия протонов в этой системе превысила 1 ПэВ, а общая мощность составила примерно 10³² джоулей в секунду — эквивалент энергии четырех триллионов самых мощных водородных бомб. Гамма-излучение от V4641 Sgr достигло 0,8 ПэВ, что также делает его «сверхмощным ускорителем частиц».

Решение многолетней загадки

Эти результаты доказывают, что микро-квазары являются значительными ускорителями частиц в Млечном Пути. Хотя ранее считалось, что космические лучи ускоряются в остатках сверхновых, наблюдения и теоретические исследования показали, что они не способны разогнать частицы до энергий «излома» и выше.

Используя передовое оборудование, LHAASO разработала методики многопараметрических измерений и отобрала большую статистическую выборку высокочистых протонов, что позволило точно измерить их энергетический спектр. Вместо ожидаемого простого перехода между степенными законами спектра был обнаружен совершенно неожиданный «высокоэнергетический компонент».

Множественные ускорители во Вселенной

Новые данные LHAASO, вместе с измерениями низкоэнергетического компонента экспериментом AMS-02 и среднеэнергетического компонента экспериментом DAMPE, выявили существование в Млечном Пути множества ускорителей, каждый из которых обладает уникальными возможностями ускорения и своим энергетическим диапазоном. «Излом» представляет собой предел ускорения источников, ответственных за генерацию высокоэнергетического компонента.

Сложная структура протонного энергетического спектра указывает, что космические лучи в ПэВ-диапазоне в основном происходят от «новых источников», таких как микро-квазары, которые имеют значительно более высокий предел ускорения, чем остатки сверхновых.

Прорыв в понимании Вселенной

Эти два открытия взаимно дополняют друг друга, представляя целостную научную картину. Это не только знаменует значительный прогресс в решении давней загадки происхождения «излома», но и предоставляет решающие наблюдательные доказательства для понимания роли черных дыр в происхождении космических лучей.

Впервые структура «излома» была наблюдательно связана с конкретным типом астрофизических источников — системой джетов черных дыр.

Обсерватория LHAASO, спроектированная, построенная и управляемая китайскими учеными, вышла в лидеры исследований высокоэнергетических космических лучей благодаря своей чувствительности как в гамма-астрономии, так и в прецизионных измерениях космических лучей.