В Млечном Пути обнаружен один из самых мощных природных ускорителей частиц: ученые нашли источник космических лучей петаэлектронвольтных энергий

Одной из самых сложных загадок современной астрофизики остается происхождение космических лучей — потоков высокоэнергетических заряженных частиц, непрерывно пронизывающих пространство нашей Галактики. Несмотря на более чем столетнюю историю их изучения, ученые до сих пор не могли с уверенностью назвать объекты, способные разгонять протоны до колоссальных энергий, достигающих квадриллионов электронвольт. Международная группа исследователей под руководством специалистов Хиросимского университета сделала важный шаг к решению этой проблемы, подтвердив существование в Млечном Пути одного из самых мощных известных природных ускорителей частиц. Результаты исследования были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal и уже называют одним из наиболее значимых достижений последних лет в области астрофизики высоких энергий.

Космические лучи состоят главным образом из протонов, а также небольшого количества ядер тяжелых элементов, электронов и других элементарных частиц. Они движутся практически со скоростью света и обладают энергией, которая значительно превосходит возможности большинства земных ускорителей. Даже Большой адронный коллайдер, крупнейшая научная установка человечества, использующая сверхпроводящие магниты и кольцевой тоннель длиной почти 27 километров, лишь приближается к подобным значениям энергии. При этом природа создает аналогичные ускорители самостоятельно, используя процессы, происходящие после взрывов звезд, в окрестностях нейтронных звезд и других экстремальных космических объектов.

Особый интерес для ученых представляют так называемые певатроны — источники, способные ускорять протоны до энергии порядка одного петаэлектронвольта и выше. Один петаэлектронвольт соответствует одному квадриллиону электронвольт, поэтому подобные объекты считаются настоящими космическими ускорителями гигантской мощности. Их существование было предсказано теоретически много десятилетий назад, однако подтвердить их природу оказалось чрезвычайно сложно. Главная проблема заключается в том, что сами космические лучи невозможно проследить до места их рождения: заряженные частицы многократно отклоняются магнитными полями Млечного Пути и теряют информацию о первоначальном направлении своего движения.

По этой причине астрономы используют косвенный метод поиска подобных объектов. Когда сверхбыстрые протоны сталкиваются с облаками межзвездного газа, возникают новые элементарные частицы, которые быстро распадаются с образованием гамма-квантов чрезвычайно высокой энергии. В отличие от заряженных частиц, гамма-лучи распространяются практически по прямой линии, позволяя определить положение источника. Именно поэтому наблюдения в гамма-диапазоне стали главным инструментом поиска природных ускорителей космических лучей.

За последние годы китайская Высотная обсерватория атмосферных ливней LHAASO обнаружила несколько десятков источников сверхэнергетического гамма-излучения. Одним из самых загадочных оказался объект LHAASO J1912+1014u, расположенный в созвездии Орла неподалеку от яркой звезды Альтаир. После открытия в 2024 году астрономы предполагали, что он может быть остатком сверхновой или туманностью, сформированной мощным ветром быстро вращающегося пульсара. Однако имеющихся наблюдений было недостаточно, чтобы понять, какие именно частицы отвечают за обнаруженное излучение.

Для решения этой задачи исследователи объединили данные сразу нескольких независимых проектов. Помимо результатов LHAASO были использованы наблюдения космического гамма-телескопа Fermi Large Area Telescope, радиокарты проекта FUGIN, выполненные с помощью 45-метрового радиотелескопа Нобеяма в Японии, а также рентгеновские данные орбитальной обсерватории Chandra. Такой подход получил название многоволновой астрономии и сегодня считается одним из наиболее эффективных способов исследования сложных космических объектов, поскольку каждый диапазон электромагнитного спектра позволяет увидеть различные физические процессы.

Комплексный анализ принес весьма убедительные результаты. Спектр гамма-излучения оказался непрерывным в чрезвычайно широком диапазоне энергий — от сотен миллионов электронвольт до значений свыше ста триллионов электронвольт. Подобная картина значительно лучше соответствует сценарию ускорения протонов, чем электронов. Кроме того, распределение гамма-излучения практически идеально совпало с расположением межзвездного газа, обнаруженного в радиодиапазоне. Именно такое совпадение и ожидается, если высокоэнергетические протоны сталкиваются с облаками газа и порождают вторичное гамма-излучение.

Дополнительным аргументом стали данные рентгеновской обсерватории Chandra. Если бы главным источником гамма-квантов были электроны, объект должен был бы испускать значительно более интенсивное рентгеновское излучение. Однако наблюдения показали противоположную картину: рентгеновское свечение оказалось очень слабым, что практически исключило электронный сценарий. В совокупности все полученные данные позволили исследователям уверенно классифицировать LHAASO J1912+1014u как протонный певатрон — один из самых мощных известных природных ускорителей частиц в нашей Галактике.

Значение этого открытия выходит далеко за рамки изучения одного космического объекта. Оно помогает приблизиться к пониманию происхождения космических лучей, которые оказывают влияние на физические процессы практически во всем Млечном Пути. Эти частицы участвуют в ионизации межзвездного газа, влияют на химическую эволюцию молекулярных облаков, воздействуют на процессы звездообразования и служат естественной лабораторией для проверки фундаментальных законов физики при энергиях, недостижимых даже на самых современных земных ускорителях.

Работа также демонстрирует стремительное развитие современной наблюдательной астрономии. Еще несколько лет назад подобное исследование было бы невозможно, поскольку ни один телескоп не способен одновременно изучать объект во всем диапазоне энергий. Только объединение данных нескольких независимых обсерваторий позволило восстановить практически полную картину происходящих процессов и исключить альтернативные объяснения природы источника.

Авторы исследования считают, что LHAASO J1912+1014u далеко не единственный подобный объект в нашей Галактике. По современным оценкам, в Млечном Пути могут существовать десятки, а возможно, и сотни природных певатронов, многие из которых пока остаются неизвестными. Их дальнейший поиск станет одной из ключевых задач астрофизики высоких энергий в ближайшие годы, а новые поколения наземных и космических телескопов позволят изучить эти экстремальные объекты значительно подробнее.

Открытие подтвержденного протонного певатрона стало важным этапом в понимании самых мощных процессов, происходящих во Вселенной. Каждый подобный объект позволяет ученым глубже разобраться в механизмах ускорения элементарных частиц, исследовать свойства космических лучей и приблизиться к ответу на один из главных вопросов современной астрофизики — каким образом природа создает частицы с энергией, которая до сих пор остается практически недостижимой для самых совершенных технологий человечества.