Со времен открытия высокоэнергетических космических лучей астрономы искали источник таких лучей в нашей галактике. И поиски увенчались успехом: на Большой высотной обсерватории воздушных ливней в Китае обнаружили гигантскую пузырьковую структуру излучения сверхвысоких энергий в области звездообразования Лебедя.
Космическими лучами называют заряженные субатомные частицы, такие как протоны или атомные ядра, которые проносятся в пространстве со скоростью близкой к скорости света. Лучи, проходящие через нашу галактику, достигают энергий по меньшей мере в несколько петаэлектронвольт (10 в 15 степени электронвольт), но определить местонахождение их источников заведомо трудная задача.
Сложность заключается в том, что космические лучи отражаются от магнитных полей, когда проносятся в космосе, а значит, траектории их полета извилисты. Это и мешает определить место их происхождения. Чтобы обойти проблему, исследователи измеряют фотоны гамма-излучения, образующиеся при взаимодействии космических лучей с межзвездным газом. Гамма-лучи несут 10 процентов энергии космических лучей и распространяются по почти прямым линиям, облегчая определение потенциальных источников космических лучей.
Измерения космических лучей за последние десятилетия выявили разрыв в энергетическом спектре около одного петаэлектронвольта, который был назван «коленом» энергетического спектра космических лучей из-за его формы, напоминающей коленный сустав. Ученые полагали, что космические лучи с энергией ниже «колена» исходят от астрофизических объектов в пределах Млечного Пути. А энергетический предел для ускорения протонов от большинства источников космических лучей в Млечном Пути, согласно расчетам, составлял около нескольких петаэлектронвольт.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Bulletin, ученые объявили об обнаружении огромного гамма-пузыря, который стал источником самых мощных космических лучей Млечного Пути. Галактический ускоритель, получивший название «супер ПеВатрон» (super PeVatron), испускал космические лучи с энергией не менее 10 петаэлектронвольт, раздвигая верхние пределы энергий, которых достигают такие частицы в нашей галактике.
Астрономы использовали Большую высотную обсерваторию воздушных ливней LHAASO в Китае для обнаружения и измерения гамма-лучей, исходящих от Лебедя OB2, массивной области звездообразования в созвездии Лебедя.
LHAASO — это целая научно-технологическая инфраструктура для исследования космических лучей, расположенная на высоте 4410 метров на горе Хайцзы в провинции Сычуань. Система состоит из наземной части площадью в квадратный километр из 5216 детекторов электромагнитных частиц и 1188 мюонных детекторов, водяных черенковских детекторов площадью 78 000 квадратных метров и 18 широкоугольных черенковских телескопов.
Команда LHAASO обнаружила огромную структуру, излучающую гамма-лучи, названную пузырем. Область испускала фотоны с энергией выше одного петаэлектронвольта, при этом самый мощный из зарегистрированных лучей имел энергию в 2,5 петаэлектронвольт. По словам авторов, это говорит о том, что «супер ПеВатрон» может генерировать космические лучи, достигающие энергии между 10 и 25 петаэлектронвольт.
Лебедь OB2 состоит из множества молодых, горячих, массивных звезд с температурой поверхности, превышающей примерно 35 000 °C (звезды O-типа) и 15 000 °C (звезды B-типа). Радиационная температура этих звезд в сотни — миллионы раз превышает солнечную. Огромное радиационное давление сдувает поверхностный материал звезд, образуя динамические звездные ветры со скоростью до тысяч километров в секунду. Когда эта материя сталкивается с газом и веществом, находящимся между звездами, они создают идеальные условия для ускорения космических лучей до высоких энергетических уровней.
В итоге полученные наблюдения показали, что космические лучи, исходящие из Млечного Пути, достигают гораздо более высоких энергий, чем считалось ранее. Ученые планируют исследовать Лебедя OB2 более детально, чтобы определить точный источник космических лучей высокой энергии в звездном скоплении.
Результаты не только влияют на наше понимание диффузного излучения, но и имеют важные последствия для описания переноса космических лучей в галактике. Ожидается, что с увеличением времени наблюдений LHAASO обнаружит больше сверхускорителей космических лучей и разгадает тайну их происхождения в Млечном Пути.