Астрономы нашли самый мощный ускоритель частиц в галактике

Новые наблюдения с помощью обсерватории High Altitude Water Cherenkov Experiment (HAWC) выявили маловероятного кандидата: в остальном гигантское молекулярное облако, являющееся обычным явлением.

Космические лучи - это вовсе не лучи, а скорее крошечные частицы, движущиеся через Вселенную почти со скоростью света. Они могут состоять из электронов, протонов или даже ионов более тяжелых элементов. Они создаются во всевозможных высокоэнергетических процессах по всему космосу, от взрывов сверхновых до слияния звезд и последних безумных моментов, когда черная дыра всасывает газ.

Космические лучи бывают самых разных энергий, и, вообще говоря, космические лучи с более высокими энергиями встречаются реже, чем их родственники с низкими энергиями. Это соотношение меняется очень незначительно при определенной энергии - 10 ^ 15 электрон-вольт - которая называется «коленом». Электрон-вольт, или эВ, - это просто способ, которым физики элементарных частиц любят измерять уровни энергии. Для сравнения: самый мощный коллайдер частиц на Земле, Большой адронный коллайдер , может достигать 13 X 10 ^ 12 эВ, что часто обозначается как 13 тераэлектронвольт или 13 ТэВ. Космические лучи с энергией выше 10-15 эВ встречаются гораздо реже, чем можно было бы ожидать. Это заставило астрономов поверить, что любые космические лучи на этом уровне энергии и выше приходят извне галактики, в то время как процессы в Млечном Пути способны производить космические лучи до 10-15 эВ включительно.

Все, что создает эти космические лучи, будет в диапазоне "пета" и, следовательно, более чем в 1000 раз мощнее, чем наши лучшие ускорители частиц - естественные "пэВатроны", блуждающие по галактике.

Миссия проста: найти источник космических лучей масштаба ПэВ в Млечном Пути. Но, несмотря на их энергию, трудно определить их происхождение. Это потому, что космические лучи состоят из заряженных частиц, а заряженные частицы, путешествующие в межзвездном пространстве, реагируют на магнитное поле нашей галактики. Таким образом, когда вы видите космический луч высокой энергии, исходящий из определенного направления в небе, вы на самом деле понятия не имеете, откуда он на самом деле пришел - его путь искривлялся и искривлялся в ходе его путешествия к Земле.

Но вместо того, чтобы искать космические лучи напрямую, мы можем поискать их родственников. Когда космические лучи случайно попадают в облако межзвездного газа, они могут испускать гамма-лучи, высокоэнергетическую форму излучения. Эти гамма-лучи проходят через галактику по прямой линии, что позволяет нам напрямую определять их происхождение.

Поэтому, если мы видим источник сильного гамма-излучения, мы можем искать близлежащие источники космических лучей ПэВ.

Этот метод использовала группа исследователей, использующая HAWC, который расположен на вулкане Сьерра-Негра на юге центральной части Мексики. HAWC "смотрит" в небо рядом с резервуарами, наполненными сверхчистой водой. Когда частицы высокой энергии или радиация попадают в резервуары, они излучают вспышку синего света, позволяя астрономам отследить источник на небе.

Подробно в статье, недавно появившейся в препринте журнала arXiv , астрономы обнаружили источник гамма-излучения, превышающий 200 ТэВ, который может быть создан только еще более мощными космическими лучами - видами космических лучей, которые достигают шкалы ПэВ. Источник, получивший название HAWC J1825-134, расположен примерно в направлении центра Галактики. HAWC J1825-134 представляется нам ярким пятном гамма-лучей, освещенным каким-то неизвестным источником космических лучей - возможно, самым мощным известным источником космических лучей в Млечном Пути.

Несколько обычных подозрительных источников космических лучей высоких энергий находятся в пределах нескольких тысяч световых лет от HAWC J1825-134, но ни один из них не может легко объяснить сигнал. Например, галактический центр сам по себе является известным генератором интенсивных космических лучей, но он слишком далеко от HAWC J1825-134, поэтому не имеет отношения к этим измерениям.

Есть некоторые остатки сверхновых, и сверхновые, несомненно, очень мощные. Но все сверхновые в районе HAWC J1825-134 взорвались давным-давно - слишком давно, чтобы создавать эти космические лучи высокой энергии сейчас.

Пульсары - быстро вращающиеся плотные остатки ядер массивных звезд - также производят обильное количество космических лучей. Но они тоже находятся слишком далеко от источника гамма-излучения - энергии электронов и протонов, исходящих от пульсара, просто недостаточно высоки, чтобы пройти тысячи световых лет к месту излучения гамма-излучения.

Удивительно, но источником этих рекордных космических лучей оказалось не что иное, как гигантское молекулярное облако. Эти облака - гигантские неуклюжие существа, наполненные пылью и газом, которые бродят по галактике. Иногда они сжимаются и превращаются в звезд, но в остальном они могут оставаться спокойными и раскованными в течение миллиардов лет. Не причиняя никому какой-либо серьезной угрозы - и едва ли даже заметной, если у вас нет хороших инфракрасных телескопов - это последнее место, где вы ожидаете найти такие безумно высокие энергии.

Внутри облачного комплекса находится скопление новорожденных звезд, но даже самые причудливые и громкие молодые звезды не считаются достаточно мощными, чтобы запускать такие космические лучи. Сами исследователи признают, что не знают, как это делает это облако, но каким-то образом, когда никто не обращал внимания, оно генерировало одни из самых мощных частиц во всей галактике.