Астрономи давно шукали місця, де виникають деякі з протонів із найвищою енергією в нашій галактиці. Тепер дослідження, виконане із використанням даних 12-річних спостережень космічного гамма-телескопа NASA «Фермі» (Fermi Gamma-ray Space Telescope), підтверджує, що один залишок наднової є саме таким місцем.

«Фермі» дав змогу показати, що ударні хвилі зір, які вибухнули, розганяють частинки до швидкості, порівнянної зі швидкістю світла. Ці частинки, які астрономи називають космічними променями, здебільшого є протонами, але ними можуть бути і ядра атомів, і електрони. Оскільки всі вони мають електричний заряд, то їхні шляхи під час руху крізь магнітне поле нашої галактики заплутані. Це маскує їх місце народження і науковці не можуть сказати, звідки походять такі частинки. Але коли ці частинки стикаються з міжзоряним газом біля залишку наднової, вони спричиняють появу яскравих гамма-променів — випромінювання найвищої енергії.

«Теоретики вважають, що протони космічних променів з найвищою енергією в Молочному Шляху досягають мільйона мільярдів електронвольт, або енергії ПеВ», — сказав Ке Фанґ (Ke Fang), доцент кафедри фізики Вісконського університету (штат МедісонЮ США). «Точну природу їхніх джерел, які ми називаємо PeVatron, було важко визначити».

Захоплені хаотичними магнітними полями, частинки неодноразово перетинають ударну хвилю наднової, набираючи швидкість і енергію з кожним проходженням. Згодом залишок наднової більше не може їх утримувати, і вони летять у міжзоряний простір. Енергія PeV протонів майже в 10 разів перевищує енергію, отриману найпотужнішим у світі прискорювачем елементарних частинок, Великим адронним колайдером. Частинка, що має таку енергією, може покинути нашу галактику.

Відеоролик розповідає про те, як астрономи знайшли залишок наднової, що прискорює протони до енергії вдесятеро більшої, ніж найпотужніший прискорювач частинок на Землі. Авторські права: Центр космічних польотів імені Ґоддарда NASA.

Астрономи ідентифікували кілька ймовірних Піватронів, зокрема один у центрі нашої галактики. Природно, що очолюють список кандидатів залишки наднових. Проте з приблизно 300 відомих залишків лише деякі випромінюють гамма-промені з достатньо високою енергією.

Одна конкретна катастрофа зорі привернула багато уваги гамма-астрономів. Це кометоподібна хмара під назвою G106.3+2.7, що лежить від Землі на відстані приблизно 2600 світлових років у напрямку сузір’ї Цефея. Яскравий пульсар міститься біля північного краю залишку наднової, і астрономи вважають, що обидва об’єкти утворилися внаслідок одного вибуху.

Основний інструмент телескопа «Фермі» виявив гамма-промені потужністю мільярд електрон-вольт (ГеВ) із розширеного хвоста залишку. (Для порівняння, енергія видимого світла становить приблизно від 2 до 3 електронвольт.) Телескопічна система для реєстрації дуже енергетичного випромінювання (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, VERITAS) в обсерваторії Фреда Лоуренса Віппла у південній Аризоні зареєструвала гамма-промені ще більшої енергії з того самого регіону. Висотна водяна гамма-обсерваторія Черенкова (High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory) в Мексиці й Тибетський експеримент AS-Gamma (Tibet AS-Gamma Experiment) в Китаї також виявили фотони з енергією 100 трильйонів електронвольт (ТеВ) із зони, яку досліджували «Фермі» та VERITAS.

«Цей об’єкт вже деякий час викликає значний інтерес, але щоб назвати його PeVatron, нам треба довести, що він прискорює протони», — пояснив співавтор дослідження Генріке Флейшхак (Henrike Fleischhack) з Католицького університету Америки у Вашингтоні та Космічного центру імені Ґоддарта NASA. «Заковика в тому, що електрони, прискорені до кількох сотень ТеВ, можуть давати таке ж випромінювання. Тепер, за допомогою даних “Фермі”, здобутих протягом 12 років, ми вважаємо доконаним фактом те, що G106.3+2.7 справді є PeVatron».

Ця послідовність порівнює результати «Фермі» в трьох енергетичних діапазонах. Пульсар J2229+6114 є яскравим джерелом у верхній частині, північній частині залишку наднової G106.3+2.7 (обведений зеленим). У кожному енергетичному діапазоні послідовність спочатку показує кількість гамма-променів, а потім надлишок у порівнянні з очікуваними моделями тла. Яскравіші кольори вказують на більшу кількість гамма-променів або надмірну кількість. При найвищих енергіях з’являється нове джерело гамма-випромінювання, яке утворюється, коли протони, прискорені ударною хвилею наднової, стикаються з сусідньою газовою хмарою. Авторські права: NASA/Fermi/Fang et al. 2022 рік.

Пульсар (J2229+6114) під час обертання випромінює власні гамма-промені, які для спостерігача на Землі мають вигляд сигналів маяка, і це випромінювання домінує в ділянці до енергій у кілька ГеВ. Більшість цього випромінювання відбувається в першій половині обертання пульсара. Науковці фактично «вимкнули» пульсар, проаналізувавши лише гамма-промені, що надходять з останньої частини циклу. Нижче 10 ГеВ немає значного випромінювання з хвоста залишку.

Вище цієї енергії інтерференція пульсара незначна, і додаткове джерело стає видимим. Докладний аналіз, виконаний науковою групою, надає перевагу протонам PeV, як частинкам, що спричиняють це гамма-випромінювання.

«Поки що G106.3+2.7 є унікальним, але він може виявитися найяскравішим представником нової популяції залишків наднових, які випромінюють гамма-промені, що досягають енергії ТеВ», — зазначив Фанґ. «Більшу їх кількість можна буде виявити завдяки майбутнім спостереженням “Фермі” та гамма-обсерваторій дуже високих енергій».

Статтю наукової групи, очолюваної Фанґом, з докладним описом результатів оприлюднив 10 серпня поточного року журнал Physical Review Letters.

За інф. з сайту https://phys.org