Вчені виявили 12 потенційних співатронів

На китайській обсерваторії LHAASO зареєстрували 530 фотонів з енергією між 0,1 і 1,4 петаелектронвольта від 12 джерел в межах Чумацького шляху. Одним з них виявилася Крабовидна туманність, точне місце розташування і природу інших 11 джерел визначити не вдалося. Такі спостереження підтверджують існування галактичних співакронів - космічних прискорювачів у нашій Галактиці, які розганяють частинки до енергій порядку петаелектронвольту. Їх вивчення дозволить зрозуміти, що з себе представляють такі об'єкти і які фізичні процеси лежать в їх основі. Стаття опублікована в журналі.

Фізики вже більше ста років знають про існування космічних променів - частинок високих енергій, джерелами яких є позаземні об'єкти. Енергія таких частинок сягає величезних значень (аж до 10²¹ електронвольт - у сто мільйонів разів більше, ніж енергія частинок у кільці Великого адронного колайдера), але вчені все ще не можуть з упевненістю сказати, які саме космічні об'єкти можуть призводити до такого прискорення. Кандидатами на такі прискорювачі є області народження зірок, пульсари, залишки наднових і масивні чорні діри, але однозначно зв'язати конкретні космічні об'єкти і космічні промені надвисоких енергій поки що не виходить.

Особливий інтерес представляють космічні промені з енергією порядку петаелектронвольту: у цій точці енергетичного спектру космічних променів знаходиться так зване «коліно» - злам кривої цього спектру. Такий вилом вчені пов'язують з різною природою космічних променів з меншими і більшими значеннями енергії. Частинки з енергією порядку петаелектронвольту прилітають на Землю від космічних прискорювачів в межах Чумацького шляху. Якраз гіпотетичні джерела таких частинок і називають певатронами. Космічні промені з багато великими енергіями, в свою чергу, можуть долітати до нас і з інших галактик, через що падає і їх потік.

Проте виявити певатрони в межах нашої Галактики донедавна не вдавалося. Джерелом космічних протонів з енергією аж до 0,04 петаелектронвольта називали галактичний центр, зокрема, надмасивну чорну діру в центрі Чумацького шляху. Але визначення джерел заряджених частинок ускладнене тим, що останні під час свого руху встигають відхилитися від початкової траєкторії через сильні магнітні поля в космічному просторі і навколо їхніх джерел. У цьому випадку фізикам допомагають високоенергетичні фотони, які повинні народжуватися при взаємодії прискорених протонів та інших заряджених частинок з космічним середовищем. Такі гамма-кванти, на відміну від заряджених частинок, не відхиляються магнітним полем, а значить по їх напрямку руху можна визначити положення їх джерела. Фізики вже реєстрували таке гамма-випромінювання з енергією трохи вище 0,1 петаелектронвольта, але для вивчення співатронів необхідна стабільна реєстрація фотонів з істотно великими енергіями.

Тепер же Чжень Цао (Zhen Cao) разом з колегами представив результати вимірювання обсерваторії LHAASO: вченим вдалося зареєструвати 530 фотонів з енергією від 0,1 до 1,4 петаелектронвольта від 12 джерел у межах Чумацького шляху. Сама обсерваторія була запущена в квітні 2019 і призначена для надчутливої реєстрації космічних променів і гамма-випромінювання високих енергій. Вона розташована на висоті 4410 метрів у китайській провінції Сичуань і включає цілий комплекс різних детекторів, створених для реєстрації продуктів взаємодії космічних частинок і земної атмосфери - атмосферних злив. Площа установки сягає 1 квадратного кілометра, на якому рівномірно розташовані 5195 сцинтиляційних лічильників і 1188 мюонних детекторів, а в центрі якого розташовані 3 водних черенківських детектори c загальною площею 78 000 квадратних метрів і 18 черенківських детекторів з широким полем зору. Така система детекторів дозволяє домогтися хорошого кутового дозволу в одну третину кута і енергетичного дозволу в 20 відсотків при енергії реєстрованих частинок в 0,1 петаелектронвольта.

Статистична точність того, що кожен з 12 виявлених об'єктів є джерелом гамма-квантів з енергією більше 0.1 петаелектронвольт, виявилася більше 7º. Максимальна енергія гамма-квантів в 1,42  0,13 петаелектровольта була зареєстрована лише для одного з джерел, для решти об'єктів це значення коливається між 0.2 і 0.9 петаелектронвольт. Одним з джерел виявилася Крабовидна туманність - залишок вибуху наднової тисячолітньої давності. Для обсерваторії LHAASO ця туманність видима як точка на зоряному небі, яка не перекривається зі схожими космічними об'єктами. Завдяки цьому вчені змогли з упевненістю назвати її джерелом зареєстрованих гамма-квантів надвисоких енергій, тобто, фактично, визнати певатроном.

Для решти 11 об'єктів автори роботи не ставили собі завдання з визначення їх природи. Тим не менш, розташування виявлених джерел говорить про те, що ними можуть бути вже знайомі фізикам прискорювачі протонів і електронів високих енергій: пульсари, плеріони, залишки наднових і скупчення молодих масивних зірок. Зокрема, одне з таких джерел може перебувати в області зіроутворення «Кокон Лебедя», з якого на Землю вже прилітали гамма-кванти надвисоких енергій. Крім того, вчені виміряли енергетичні спектри виявлених джерел, які також допоможуть у вивченні механізмів роботи співатронів. Отримані результати вже зараз говорять про велику кількість співатронів в межах Чумацького шляху незалежно від їх природи. Надалі пороговий потік випромінювання, необхідний обсерваторії LHAASO для реєстрації джерела гамма-квантів надвисоких енергій, буде зменшений як мінімум на порядок. Це означає, що кількість виявлених співакронів буде швидко зростати, а спостереження за ними дозволять фізикам зрозуміти природу таких прискорювачів космічних променів.

Шукати певатрони можна не тільки за допомогою реєстрації гамма-квантів надвисоких енергій: у цьому завданні фізикам можуть допомогти і астрофізичні нейтрино. Про те, як і навіщо ці найлегші частинки реєструють за допомогою нейтринних телескопів можна почитати в нашому матеріалі «Хто стріляв».