Китайская высокогорная обсерватория LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) подтвердила, что двойная звёздная система Лебедь X-3 (Cygnus X-3) является самым мощным известным ускорителем частиц во Вселенной. Наблюдения показали, что этот объект способен разгонять частицы космических лучей до энергий не менее 30 петаэлектронвольт (ПэВ), что значительно превышает прежние представления о возможностях источников в нашей Галактике.
Лебедь X-3 находится примерно в 7200 световых годах от Земли в созвездии Лебедя. Исследование было выполнено международной коллаборацией LHAASO под руководством академика Китайской академии наук Чжэнь Цао.
Открытие имеет фундаментальное значение, поскольку опровергает существовавшее десятилетиями представление о предельной энергии, которую способны сообщать частицам галактические ускорители. Согласно общепринятой теории, максимальная энергия заряженных частиц в пределах Млечного Пути составляла около 1 ПэВ. Однако Лебедь X-3 смог преодолеть этот предел сразу в 30 раз.
Для сравнения, Большой адронный коллайдер в ЦЕРН достигает энергии столкновений около 14 тераэлектронвольт, что соответствует 0,014 ПэВ. Таким образом, космический источник ускоряет частицы до энергий, примерно в 2000 раз превышающих возможности крупнейшего земного ускорителя.
Предел около 1 ПэВ был связан с хорошо известной особенностью энергетического спектра космических лучей, называемой «коленом». В этой области спектр заметно меняет наклон, и многие десятилетия считалось, что именно здесь проходит естественная граница возможностей галактических ускорителей частиц.
За последние годы LHAASO уже обнаружила несколько так называемых пэватронов — объектов, способных ускорять частицы выше отметки в 1 ПэВ. Среди них была, например, Крабовидная туманность, а также ряд других источников с энергиями порядка 1–2 ПэВ. Однако обнаружение энергии 30 ПэВ стало самым крупным скачком за всю историю подобных наблюдений. Некоторые исследователи уже называют Лебедь X-3 «суперпэватроном».
Лебедь X-3 представляет собой микроквазар — систему, состоящую из компактного объекта, которым может быть либо чёрная дыра, либо нейтронная звезда, и массивной звезды-компаньона. Компактный объект захватывает вещество из звёздного ветра своего спутника. Падающее вещество формирует мощные релятивистские джеты, в которых частицы разгоняются до экстремальных энергий.
Одним из наиболее важных результатов исследования стало обнаружение того, что поток гамма-излучения сверхвысоких энергий не является постоянным. Учёные зарегистрировали его периодические всплески с интервалом 4,8 часа, который полностью совпадает с известным орбитальным периодом двойной системы.
Это делает Лебедь X-3 первым известным переменным источником гамма-излучения сверхвысоких энергий. Кроме того, зарегистрированные гамма-вспышки совпали по времени с наблюдениями космического телескопа Fermi NASA, что подтверждает, что разные инструменты фиксировали одни и те же физические процессы в широком диапазоне энергий.
Анализ этих вспышек позволил исследователям оценить размеры области, где происходит ускорение частиц. Оказалось, что её радиус составляет примерно три радиуса Солнца. Именно в этом сравнительно небольшом объёме, расположенном в непосредственной близости от компактного объекта, частицы получают энергию до рекордных 30 ПэВ.
По мнению авторов работы, результаты открывают новые возможности для изучения физических процессов, происходящих вблизи чёрных дыр и нейтронных звёзд. Понимание того, каким образом подобные объекты способны передавать отдельным частицам столь огромные энергии, поможет лучше разобраться в природе компактных двойных систем и механизмах рождения космических лучей в нашей Галактике.
Обсерватория LHAASO расположена на высоте 4410 метров над уровнем моря в китайской провинции Сычуань. Она занимает площадь около 1,36 квадратного километра и управляется Институтом физики высоких энергий Китайской академии наук. С момента начала полноценной работы комплекс сделал ряд важных открытий в области космических лучей и гамма-астрономии, а обнаружение рекордной энергии в системе Лебедь X-3 стало самым впечатляющим результатом за всю историю его наблюдений.
Исследование опубликовано в журнале National Science Review.