Ветреные и хаотичные останки, окружающие, недавно взорвавшиеся звезды, могут запускать самые быстрые частицы во Вселенной.
Сильно магнитные нейтронные звезды, известные как пульсары, вызывают быстрый и сильный магнитный ветер. Когда заряженные частицы, в частности электроны, попадают в эти турбулентные условия, они могут быть увеличены до экстремальных энергий, сообщают астрофизики 28 апреля в Astrophysical Journal Letters. Более того, эти быстрые электроны могут затем увеличивать окружающий свет до столь же экстремальных энергий, возможно, создавая очень высокоэнергетические гамма-фотоны, которые привели астрономов к обнаружению этих пусковых установок частиц в первую очередь.
“Это первый шаг в изучении связи между пульсарами и выбросами сверхвысоких энергий”, - говорит астрофизик Ке Фанг из Университета Висконсина в Мэдисоне, который не участвовал в этой новой работе.
В прошлом году исследователи из Большой высотной обсерватории воздушного ливня или LHAASO в Китае объявили об открытии гамма-лучей с самой высокой энергией, когда-либо обнаруженных, до 1,4 квадриллиона электрон-вольт.
Это примерно в 100 раз энергичнее, чем самые высокие энергии, достижимые с помощью главного ускорителя частиц в мире, Большого адронного коллайдера близ Женевы.
Определение того, что вызывает эти и другие гамма-лучи чрезвычайно высокой энергии, может указывать буквально на места космических лучей - быстрые протоны, более тяжёлые атомные ядра и электроны, которые бомбардируют Землю из мест за пределами нашей Солнечной системы.
Считается, что некоторые гамма-лучи возникают в тех же окрестностях, что и космические лучи. Одним из способов их получения является то, что космические лучи вскоре после запуска могут врезаться в относительно низкоэнергетические окружающие фотоны, повышая их до высокоэнергетических гамма-лучей. Но электрически заряженные космические лучи подвергаются воздействию галактических магнитных полей, что означает, что они не движутся по прямой линии, что затрудняет попытки проследить быстрые частицы обратно к их источнику. Гамма-лучи, однако, невосприимчивы к магнитным полям, поэтому астрофизики могут проследить их непоколебимые пути обратно к их истокам - и выяснить, где создаются космические лучи.
С этой целью команда LHAASO проследила сотни гамма-фотонов, которые она обнаружила, до 12 пятен на небе. В то время как команда определила одно пятно как Крабовидную туманность, остаток сверхновой около 6500 световых лет от Земли, исследователи предположили, что остальные могут быть связаны с другими местами звёздных взрывов или даже молодыми массивными звёздными скоплениями.
В новом исследовании астрофизик Эмма де Она Вильгельми и её коллеги обнулили одну из этих возможных точек происхождения: туманности пульсарного ветра, облака турбулентности и заряженные частицы, окружающие пульсар. Исследователи не были убеждены, что такие места могут создавать такие высокоэнергетические частицы и свет, поэтому они решили показать с помощью расчётов, что туманности пульсарного ветра не являются источниками экстремальных гамма-лучей. “Но, к нашему удивлению, мы увидели, что в очень экстремальных условиях вы можете объяснить все источники которые видел ЛХААСО”, - говорит де Она Вильгельми из Немецкого электронного синхротрона в Гамбурге.
Фото: www.spektrum.de
Молодые пульсары в центре этих туманностей — не более 200 000 лет — могут обеспечить всё это из-за их сверхсильных магнитных полей, которые создают турбулентный магнитный пузырь, называемый магнитосферой.
Любые заряженные частицы, движущиеся в интенсивном магнитном поле, ускоряются, говорит де Унья Вильгельми. Вот как Большой адронный коллайдер повышает частицы до экстремальных энергий. Однако ускоритель, работающий на пульсаре, может увеличить частицы до ещё более высоких энергий, подсчитала команда. Это потому, что электроны покидают магнитосферу пульсара и встречаются с материалом и магнитные поля от звёздного взрыва, который создал пульсар. Эти магнитные поля могут ещё больше ускорить электроны до ещё более высоких энергий, считает команда, и если эти электроны врезаются в окружающие фотоны, они могут увеличить эти частицы света до сверхвысоких энергий, превращая их в гамма-лучи.
“Пульсары, безусловно, очень мощные ускорители”, - говорит Фанг, с “несколькими местами, где может произойти ускорение частиц”.
И это может привести к некоторой путанице. Гамма-телескопы имеют довольно нечёткое зрение. Например, ЛХАССО может разглядеть детали размером всего в половину полной Луны. Таким образом, источники гамма-излучения, обнаруженные телескопом, выглядят как капли или пузыри, говорит де Она Вильгельми. В этих сгустках может быть несколько источников энергии, которые нельзя разглядеть в современных обсерваториях.
“С лучшим угловым разрешением и лучшей чувствительностью мы сможем определить, что ускоряет и где находится ускоритель”, - говорит она. Несколько будущих обсерваторий, таких как Массив телескопа Черенкова и Южная широкоугольная гамма—обсерватория, могли бы помочь.