4519
Космос щойно нагадав, що найпотужніші прискорювачі частинок існують не в лабораторіях, а серед зірок. Астрономи вперше зафіксували гамма-промені з енергією понад 100 тераелектронвольт від подвійної зоряної системи LS I +61 303 — об’єкта, де масивна зоря та компактний невидимий компаньйон створюють умови, недосяжні для земної техніки. У новому дослідженні LHAASO Collaboration вчені показали, що ця система може бути одним із найекстремальніших природних прискорювачів частинок у Чумацькому Шляху.
Що відомо коротко
- Хто проводив дослідження: міжнародна колаборація LHAASO.
- Де опубліковано: препринт доступний на arXiv, роботу прийнято до Physical Review Letters.
- Що досліджували: гамма-подвійну систему LS I +61 303.
- Головні результати: виявлено гамма-випромінювання в діапазонах 1,4–30,5 ТеВ та 25–267 ТеВ.
- Ключовий висновок: система здатна прискорювати частинки до надзвичайних енергій, а її випромінювання, ймовірно, виникає через поєднання лептонних і адронних процесів.
Подвійна зоря, що працює як природний колайдер
LS I +61 303 — це не звичайна зоря. Це подвійна система, розташована приблизно за 2 кілопарсеки від Землі. Вона складається з масивної Be-зорі та компактного об’єкта — ймовірно, нейтронної зорі або чорної діри. Компаньйон рухається витягнутою орбітою з періодом близько 26,5 доби.
Be-зорі — це гарячі, швидко обертові зорі, які можуть скидати речовину у навколишній газовий диск. Коли компактний об’єкт проходить поблизу такого диска, виникає космічна буря: ударні хвилі, зоряний вітер, магнітні поля та потоки частинок взаємодіють у невеликому просторі.
Це схоже на природний прискорювач, де частинки знову й знову отримують енергетичні «поштовхи». На Землі фізики використовують магніти й вакуумні тунелі, як у Великому адронному колайдері. У LS I +61 303 роль таких магнітів виконують космічні поля, а замість тунелю — екстремальне середовище навколо зорі.
Саме тому ця система давно цікавить астрономів. Раніше її вже спостерігали телескопи Fermi-LAT, MAGIC і VERITAS, які показали, що випромінювання LS I +61 303 змінюється разом з орбітальним рухом. Але LHAASO вперше відкрила її у справді ультрависокоенергетичному діапазоні — понад 100 ТеВ.
Не випадково схожі відкриття часто стають ключем до розуміння того, як у Всесвіті народжуються найпотужніші космічні явища.
Чому 100 ТеВ — це майже неймовірна енергія
Енергія понад 100 ТеВ звучить абстрактно, але для фізики частинок це величезна величина. Один електронвольт — це енергія, яку отримує електрон, проходячи через різницю потенціалів в один вольт. Один тераелектронвольт — це вже трильйон електронвольт.
Фотони, зафіксовані LHAASO, мали енергії понад 100 трильйонів електронвольт. У дослідженні вказано, що обсерваторія зареєструвала 16 фотоноподібних подій вище 100 ТеВ на тлі очікуваних 5,1 фонових подій. Це відповідає статистичній значущості 3,8 сигма для цього надвисокого діапазону.
«Ці результати надають переконливі докази екстремального прискорення частинок у LS I +61 303», — пишуть автори дослідження в анотації роботи.
Важливо, що сам гамма-фотон не обов’язково є первинною частинкою, яку прискорює система. Він може бути «світловим слідом» ще потужнішого процесу. Наприклад, електрони можуть розганятися майже до швидкості світла, а потім передавати енергію зоряним фотонам через обернене комптонівське розсіяння.
Інший варіант — адронний механізм. У цьому сценарії прискорюються протони або важчі ядра. Вони врізаються в газ біля зорі, породжують короткоживучі частинки, а ті розпадаються з утворенням гамма-променів.
Саме тут починається найцікавіше: якщо адронний механізм справді працює, LS I +61 303 може бути пов’язана з проблемою походження космічних променів — заряджених частинок, які мільярди років бомбардують галактики й планети.
Як LHAASO побачила невидиме
Гамма-промені таких енергій не долітають до поверхні Землі в первинному вигляді. Коли вони входять в атмосферу, то стикаються з атомами повітря й запускають каскад вторинних частинок. Це називається атмосферною зливою.
Саме такі зливи реєструє Large High Altitude Air Shower Observatory, або LHAASO. Обсерваторія розташована в Китаї на великій висоті й складається з кількох детекторних систем, зокрема WCDA та KM2A. У дослідженні повідомляється про значущість 9,2 сигма для WCDA в діапазоні 1,4–30,5 ТеВ і 6,2 сигма для KM2A в діапазоні 25–267 ТеВ.
Простими словами, LHAASO не «бачить» гамма-промінь напряму. Вона бачить слід, який той залишив в атмосфері. Це схоже на те, як можна зрозуміти, що літак пролетів у небі, навіть якщо ви не бачили сам літак, але бачите інверсійний слід.
Ще важливіше, що LHAASO виявила орбітальну модуляцію випромінювання між 25 і 100 ТеВ. Тобто потік гамма-променів змінюється залежно від положення компактного об’єкта на орбіті. Це сильний аргумент, що сигнал справді пов’язаний із LS I +61 303, а не є випадковим фоновим джерелом.
«Ми спостерігаємо орбітальну модуляцію з довірою 4,0 сигма між 25 і 100 ТеВ», — зазначають автори у препринті дослідження.
Механізм: електрони, протони чи обидва одразу?
Головне питання після відкриття звучить так: що саме створює ці надпотужні гамма-промені?
У лептонному сценарії головні герої — електрони. Вони розганяються у магнітних полях, а потім взаємодіють зі світлом масивної зорі. Фотони зоряного світла отримують додаткову енергію та перетворюються на гамма-промені.
Проблема в тому, що на надвисоких енергіях цей процес стає менш ефективним. Фізики називають це режимом Клейна — Нішіни. Уявіть, що ви намагаєтеся дедалі сильніше штовхати м’яч, але з певного моменту м’яч уже не набирає швидкість так легко. У мікросвіті відбувається щось подібне: передача енергії має обмеження.
В адронному сценарії все інакше. Там працюють протони. Вони можуть бути важчими й стабільнішими носіями енергії, а під час зіткнень із газом створюють каскад частинок, який завершується гамма-випромінюванням.
Найімовірніше, як припускають автори, LS I +61 303 не вкладається в одну просту модель. Дані краще пояснюються комбінованим сценарієм, де лептонні та адронні процеси діють разом.
Це робить систему особливо цінною. Вона не просто випромінює гамма-промені — вона дозволяє перевірити, як у реальному космічному середовищі працює фізика плазми, ударних хвиль і релятивістських частинок. Схожі процеси вчені намагаються моделювати навіть у лабораторіях, відтворюючи плазмові потоки чорних дір.
Чому це відкриття важливе для всієї астрофізики
Ультрависокоенергетична гамма-астрономія допомагає шукати джерела найшвидших частинок у Галактиці. Одне з головних понять тут — PeVatron, тобто космічний об’єкт, здатний прискорювати частинки до петаелектронвольтних енергій.
Довгий час головними кандидатами в PeVatron вважали залишки наднових, пульсарні туманності та області зореутворення. Але відкриття LHAASO показує, що гамма-подвійні системи теж можуть бути важливими учасниками цієї історії.
Це змінює масштаб питання. Йдеться не лише про одну дивну зорю. Йдеться про те, які типи об’єктів у Чумацькому Шляху можуть живити потік космічних частинок, що постійно проходять крізь міжзоряний простір, атмосферу Землі й навіть наші тіла.
Космічні промені впливають на хімію атмосфер, можуть пошкоджувати електроніку, створюють радіаційні ризики для космічних місій і допомагають досліджувати фундаментальну фізику. Тому кожне нове джерело надвисокоенергетичного випромінювання — це ще один фрагмент великої картини.
Астрономія високих енергій також швидко розвивається завдяки новим обсерваторіям. LHAASO, H.E.S.S., HAWC, MAGIC, VERITAS і майбутній Cherenkov Telescope Array поступово відкривають Всесвіт, який не видно в оптичні телескопи. Це Всесвіт вибухів, джетів, магнітних полів і частинок, що летять майже зі швидкістю світла.
Цікаві факти
- 100 ТеВ — це у десятки разів більше за енергії, з якими зазвичай працюють найпотужніші земні прискорювачі частинок.
- LS I +61 303 має орбітальний період приблизно 26,5 доби, тому її гамма-випромінювання можна порівнювати з положенням об’єктів на орбіті.
- Гамма-промені не проходять крізь атмосферу напряму: наземні обсерваторії бачать їх через атмосферні каскади частинок.
- Be-зорі обертаються так швидко, що можуть утворювати навколо себе газові диски.
- Якщо в системі працює адронний механізм, вона може бути пов’язана з походженням частини галактичних космічних променів.
- Гамма-подвійні зорі — рідкісний клас об’єктів, тому кожне нове спостереження суттєво змінює моделі.
Що це означає
Це відкриття показує, що подвійні зоряні системи можуть бути набагато потужнішими прискорювачами частинок, ніж вважалося раніше. LS I +61 303 стала першим прикладом гамма-подвійної системи, від якої зафіксували випромінювання понад 100 ТеВ.
Практичне значення відкриття полягає не в тому, що ми зможемо використати цю енергію, а в тому, що ми краще зрозуміємо фізику екстремальних середовищ. Такі дані допомагають перевіряти моделі магнітних полів, плазми, ударних хвиль і прискорення частинок.
Для науки це ще й новий шлях до розгадки походження космічних променів. Якщо гамма-подвійні системи здатні прискорювати протони до дуже високих енергій, їх доведеться включити до списку ключових джерел галактичного випромінювання.
У ширшому сенсі це відкриття нагадує: Всесвіт не просто світиться — він постійно проводить експерименти з фізики, які людство поки що не може повторити на Землі.
FAQ
Що таке гамма-промені?
Гамма-промені — це найенергетичніша форма електромагнітного випромінювання. Вони виникають у ядерних реакціях, вибухах, біля чорних дір, нейтронних зір і в інших екстремальних середовищах.
Чому LS I +61 303 така особлива?
Це гамма-подвійна система, де масивна зоря та компактний об’єкт взаємодіють через зоряний вітер, газовий диск і магнітні поля. Саме така взаємодія може прискорювати частинки до надзвичайних енергій.
Чи небезпечні ці гамма-промені для Землі?
Ні. LS I +61 303 розташована дуже далеко, а гамма-промені таких енергій поглинаються атмосферою. Для нас вони важливі не як загроза, а як джерело інформації про фізику Всесвіту.
Чи означає це, що знайдено джерело космічних променів?
Не остаточно. Але відкриття показує, що гамма-подвійні системи можуть бути реальними кандидатами на роль джерел частини високоенергетичних космічних променів.
Висновок
LS I +61 303 — це маленька точка на небі, але вона поводиться як гігантська лабораторія, де природа розганяє частинки до енергій, що змушують переглядати астрофізичні моделі. Найдивовижніше в цьому відкритті те, що система з двох зірок може створювати фотони енергій понад 100 ТеВ — і тим самим підказувати, де у Галактиці народжуються найекстремальніші частинки.
Ми дивимося на зорю, а бачимо космічний прискорювач, який працює вже тисячі років — без тунелів, магнітів і людського втручання.
Подвійна зоря випустила гамма-промені понад 100 ТеВ з’явилася спочатку на Цікавості.
