Результаты ГХ-анализа. Изображение предоставлено: The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad772e
В Высотной водной Черенковской обсерватории (HAWC), расположенной на высоте 13 000 футов над уровнем моря на вулкане Сьерра-Негра в Мексике, исследователи получают представление о жестокой тайне Млечного Пути. Международная исследовательская группа под руководством Лос-Аламосской национальной лаборатории наблюдала гамма-лучи сверхвысокой энергии (более 100 тераэлектронвольт), впервые проследив их происхождение до галактического центра.
«Эти результаты позволяют заглянуть в центр Млечного Пути при энергиях, которые на порядок выше, чем когда-либо прежде», — сказал Пэт Хардинг, физик из Лос-Аламоса и главный исследователь проекта Министерства энергетики.
«Исследование впервые подтверждает наличие PeVatron-источника гамма-лучей сверхвысокой энергии в месте Млечного Пути, известном как Средний хребет Галактики, а это означает, что в галактическом центре происходят некоторые из самых экстремальных физических процессов во Вселенной. »
Обсерватория HAWC собирает данные уже более семи лет. Исследователи наблюдали почти 100 событий гамма-излучения с энергией более 100 тераэлектронвольт.
Как описано в анализе, проведенном Сохьюном Ю Каркароном и опубликованном в The Astrophysical Journal Letters, эти данные позволяют напрямую изучать взаимодействие космических лучей с PeVatron и сравнивать их с другими наблюдениями, помогая уточнить процессы излучения и расположение точно в центре Млечный Путь.
Самые жестокие процессы во Вселенной
Сам по себе ПеВатрон остается малоизученным явлением, но факт его существования, в какой бы форме он ни был, указывает на насильственный режим в центре галактики. Известно, что в этой области Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра, окруженная нейтронными звездами и белыми карликами, которые истощают вещество близлежащих звезд.
Район окружен плотными газовыми облаками, температура которых достигает нескольких миллионов градусов, что делает прямое оптическое наблюдение региона практически невозможным.
Таким образом, наблюдение гамма-лучей имеет решающее значение для выяснения космических процессов, происходящих в этой экстремальной среде. Гамма-лучи сверхвысокой энергии создаются наличием источника PeVatron, который ускоряет частицы до энергии в один миллион миллиардов электрон-вольт (ПэВ), что в квадриллион раз превышает мощность световых частиц, исходящих от лампочки.
Протоны космических лучей, создаваемые PeVatron, движутся со скоростью более 99% скорости света, взаимодействуя с плотным окружающим газом и производя гамма-лучи сверхвысокой энергии.
Однако точная природа ПеВатронов остается загадкой. Задействованные энергии предполагают одни из самых жестоких процессов, которые только можно себе представить во Вселенной: смерть звезды в виде сверхновой, толчки и радиация, сопровождающие рождение звезды в результате слияния, и поглощение другой черной дыры черной дырой.
«Многие из этих процессов настолько редки, что нельзя было бы ожидать, что они произойдут в нашей галактике, или они происходят в масштабах, которые не коррелируют с размером нашей галактики», — сказал Хардинг. Например, если черная дыра поглотит другую черную дыру, это будет событие, которого можно было бы ожидать только за пределами нашей галактики».
Черенковский свет в обнаружении частиц
HAWC — это уникальный эксперимент, целью которого является уловить относительно небольшое количество гамма-лучей сверхвысокой энергии, которые могут преодолевать межзвездные расстояния и достигать Земли. На склонах вулкана Сьерра-Негра 300 зернохранилищ заполнены водой, дно каждого силоса выложено фотоумножительными детекторами.
Когда частицы сверхвысокой энергии достигают атмосферы Земли, они распадаются на обширные воздушные потоки частиц более низкой энергии. Поскольку заряженные частицы проходят через резервуары со скоростью, превышающей фазовую скорость воды, они производят черенковский свет или черенковское излучение, голубое свечение – эффект, аналогичный акустическому звуковому удару.
Затем исследователи проанализировали временное распределение частиц, обнаруженных в резервуарах, чтобы понять задействованные энергетические режимы, и пришли к выводу, что частицы произошли от гамма-лучей сверхвысокой энергии.
Поиск конкретного сайта PeVatron
Эксперимент обсерватории HAWC основан на новаторском эксперименте Милагро — обсерватории гамма-излучения с прудом емкостью 5 миллионов галлонов воды и 700 световыми детекторами в горах Джемез недалеко от Лос-Аламоса. Милагро собирала данные до 2008 года, а затем исследователи двинулись на юг, в обсерваторию HAWC, чтобы поймать частицы ближе к галактическому центру.
Исследовательская группа планирует расширить результаты обсерватории HAWC и сузить конкретное местоположение источника PeVatron с помощью нового эксперимента — Южной широкопольной гамма-обсерватории, объекта, строящегося в пустыне Атакама в Чили. Благодаря этому большему окну в центр Млечного Пути наука сможет поближе взглянуть на тайну в сердце нашей родной галактики.
Информация от: Национальной лабораторией Лос-Аламоса.
