|
Загадка космических лучей решена
|
|
|
|
Важные результаты, опубликованные 16 ноября Большой высотной обсерваторией воздушных ливней (LHAASO), раскрыли многолетнюю тайну энергетического спектра космических лучей, который показывает резкое уменьшение космических лучей выше 3 ПэВ, что придает ему необычную коленообразную форму.
|
|
|
|
Причина возникновения "колена" оставалась неясной с момента его открытия почти 70 лет назад. Ученые предположили, что оно связано с пределом ускорения астрофизических источников космических лучей и отражает переход энергетического спектра космических лучей от одного степенного распределения к другому.
|
|
|
|
Однако теперь два недавних исследования, опубликованные в National Science Review и Science Bulletin соответственно, демонстрируют, что микроквазары, приводимые в движение аккрецией системы черных дыр, являются мощными ускорителями частиц в Млечном Пути и являются вероятным источником "колена". Эти исследования также способствуют нашему пониманию экстремальных физических процессов, происходящих в системах с черными дырами.
|
|
|
|
Исследование было проведено учеными из Института физики высоких энергий Академии наук Китая (CAS), Нанкинского университета, Университета науки и технологии Китая (CAS), Римского университета Ла Сапиенца и других учреждений.
|
|
|
|
|
|
|
Микроквазары, идентифицированные как космические ускорители.
|
|
|
|
Черные дыры, одни из самых загадочных объектов во Вселенной, генерируют релятивистские струи при аккреции вещества от звезд-компаньонов в двойных системах, образуя "микроквазары". В этом исследовании LHAASO впервые систематически регистрировала гамма-излучение сверхвысоких энергий от пяти микроквазаров: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 и Лебедя X-1.
|
|
|
|
В частности, было обнаружено, что излучение сверхвысокой энергии от SS 433 перекрывается с гигантским атомным облаком, что убедительно свидетельствует о том, что протоны высокой энергии ускоряются черной дырой и сталкиваются с окружающим веществом.
|
|
|
|
Энергия протонов в этой системе превышала 1 ПэВ, а общая выходная мощность составляла приблизительно 1032 джоуля в секунду, что эквивалентно энергии, выделяемой в секунду четырьмя триллионами самых мощных водородных бомб. Было обнаружено, что энергия гамма-излучения V4641 Sgr достигает 0,8 ПэВ, что делает его еще одним "ускорителем частиц со сверхпэв", в то время как родительские частицы, генерирующие эти гамма-лучи, имели энергию, превышающую 10 ПэВ.
|
|
|
|
Эти результаты доказывают, что микроквазары являются важными ускорителями частиц с ПЭВМ в Млечном Пути, решая давнюю научную проблему: хотя остатки сверхновых исторически считались источниками космических лучей, как наблюдательные, так и теоретические исследования показали, что они не могут разогнать космические лучи до энергий "колена" и выше..
|
|
|
|
Проблемы, связанные с измерением спектров космических лучей
|
|
|
|
Чтобы полностью понять это явление, необходимы точные измерения энергетических спектров различных видов космических лучей, включая их соответствующие "колена". Первым шагом является измерение энергетического спектра самых легких ядер — протонов. Однако космические лучи в области "колена" редки, а возможности спутниковых детекторов ограничены, что делает обнаружение похожим на поиск иголки в стоге сена.
|
|
|
|
При наземных непрямых измерениях частиц космических лучей невозможно избежать атмосферных помех. Это затрудняет отличие протонов от других ядер. Долгое время это измерение считалось невозможным.
|
|
|
|
В этом исследовании, используя свое ведущее в мире наземное оборудование для наблюдения космических лучей, компания LHAASO разработала методы многопараметрических измерений и отобрала большую статистическую выборку протонов высокой чистоты, что позволило точно измерить их энергетический спектр с точностью, сравнимой с точностью спутниковых экспериментов. Это измерение выявило совершенно неожиданную структуру энергетического спектра, четко демонстрирующую новый "высокоэнергетический компонент" вместо простого перехода между степенными спектрами.
|
|
Многочисленные ускорители определяют происхождение космических лучей
|
|
|
|
Новые результаты, полученные LHAASO, вместе с низкоэнергетическим компонентом, измеренным космическим экспериментом AMS-02, и компонентом средней энергии, измеренным космическим экспериментом DAMPE, показали существование в Млечном Пути множества ускорителей, каждый из которых обладает своими уникальными свойствами. способность к ускорению и энергетический диапазон. "Колено" представляет собой предел ускорения источников, ответственных за генерацию высокоэнергетического компонента.
|
|
|
|
Сложная структура энергетического спектра протонов указывает на то, что протоны космических лучей в диапазоне энергий ПэВ в основном происходят из "новых источников", таких как микроквазары, которые имеют предел ускорения, значительно превышающий предел ускорения остатков сверхновых. Это позволяет им генерировать космические лучи высокой энергии, превышающие "колено".
|
|
|
|
Новые открытия связывают черные дыры с космическими лучами
|
|
|
|
Эти два открытия дополняют друг друга, представляя всеобъемлющую научную картину. Это не только знаменует собой значительный прогресс в разрешении давней загадки происхождения "коленчатых" дыр, но и предоставляет важнейшие данные наблюдений для понимания роли черных дыр в происхождении космических лучей.
|
|
|
|
Конструкция гибридной детекторной решетки LHAASO позволяет обнаруживать источники космических лучей с помощью гамма-лучей сверхвысокой энергии, обеспечивая при этом точное измерение частиц космических лучей вблизи Солнечной системы. Этот подход позволяет получить представление об ускоряющих свойствах источников с энергиями ПэВ и спектральных характеристиках, которые они вносят в космические лучи. Впервые наблюдаемая структура "колена" была связана с определенным типом астрофизического источника — реактивной системой черных дыр.
|
|
|
|
Станция LHAASO, которая была спроектирована, сконструирована и эксплуатируется китайскими учеными, заняла лидирующие позиции в области исследований высокоэнергетических космических лучей благодаря своей чувствительности как в области астрономических исследований гамма-излучения, так и в области прецизионных измерений космических лучей. Она сделала ряд открытий, имеющих глобальное значение, и тем самым внесла свой вклад в наши знания об экстремальных физических процессах во Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
