Астрономи зафіксували найенергійніше на сьогодні джерело гамма-випромінювання у Всесвіті. Спостереження показали, що незвична бінарна система Cygnus X-3 здатна розганяти частинки щонайменше до 30 петаелектронвольт (ПеВ), роблячи її екстремальним прискорювачем космічних променів. Про результати повідомляє видання Interesting Engineering.
Нове екстремальне джерело в сузір’ї Лебедя
Cygnus X-3 розташована в сузір’ї Лебедя і складається з двох компактних об’єктів у тісній бінарній системі. Її високоенергетична поведінка давно привертала увагу астрономів, але нові дані показують, що цей об’єкт працює на енергіях, які виходять далеко за межі прогнозів нинішніх теорій для джерел у межах Чумацького Шляху.
Відкриття зробила китайська установка Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO), яка реєструє каскади частинок, що виникають, коли гамма-промені надвисоких енергій взаємодіють з атмосферою Землі. Під час періодів підвищеної активності Cygnus X-3 LHAASO зафіксувала потужні спалахи ультрависокоенергетичних гамма-променів, що й стало прямим свідченням роботи екстремального космічного прискорювача.
Синхронні сигнали та 4,8-годинний цикл
Особливістю спостережень стало те, що активність на ультрависоких енергіях змінювалася синхронно з випромінюванням на значно нижчих енергіях у діапазоні ГеВ. Обидва типи сигналів з’являлися разом під час спалахів і зникали, коли випромінювання в діапазоні ГеВ ставало слабким.
Сигнали слідували 4,8-годинному циклу, який відповідає орбітальному періоду бінарної системи Cygnus X-3. Така періодичність дала змогу впевнено пов’язати гамма-промені з самою системою, а не розглядати їх як випадкові високоенергетичні події на фоні.
Використовуючи періодичні зміни сигналу, дослідники змогли локалізувати область, де працює прискорювач, до регіону розміром приблизно утричі більшим за Сонце. Для джерела ультрависоких енергій це надзвичайно точне визначення, яке суттєво звужує зону, де народжуються одні з найенергійніших частинок у нашій галактиці.
Виклик для теорій космічних променів
Енергія частинок, що досягають 30 ПеВ, набагато перевищує можливості найпотужніших створених людиною прискорювачів. Це ставить під сумнів чинні уявлення про те, як галактичні об’єкти можуть розганяти космічні промені до таких екстремальних значень.
Дослідження також робить Cygnus X-3 першим відомим джерелом ультрависокоенергетичних гамма-променів, для якого зафіксовано змінність у часі. Така тимчасова мінливість відкриває новий спосіб вивчати процеси навколо компактних об’єктів і механізми, що породжують наденергійні частинки.
Можливий механізм і мульти-месенджерна астрономія
Тепер астрономи можуть відстежувати зміни гамма-сигналу, щоб досліджувати фізику системи в динаміці. Оскільки Cygnus X-3 є бінарною системою, її компактний об’єкт і зоря-компаньйон постійно взаємодіють, створюючи середовище, де енергійні частинки стикаються з інтенсивним випромінюванням.
Запропонована картина передбачає, що протони, які виходять із основи релятивістського джета, взаємодіють з ультрафіолетовими фотонами від зорі-компаньйона. У таких зіткненнях можуть народжуватися високоенергетичні фотони та, ймовірно, нейтрино. Це створює набір сигналів, які можна вивчати в різних діапазонах — від частинок до електромагнітного випромінювання.
Таким чином, Cygnus X-3 стає перспективною мішенню для мульти-месенджерної астрономії, де поєднують дані від різних типів спостережень, щоб краще зрозуміти екстремальні космічні явища.
Розширення пошуку найпотужніших прискорювачів
Результати також впливають на пошук джерел найенергійніших космічних променів у Чумацькому Шляху. Якщо об’єкти на кшталт Cygnus X-3 здатні розганяти частинки до десятків ПеВ, вони можуть бути ключовими кандидатами на роль джерел частини найвищоенергетичних космічних променів, що досягають Землі.
Для обсерваторії LHAASO це відкриття демонструє цінність постійного моніторингу неба на екстремальних енергіях із одночасним відстеженням змін сигналу в часі. Поєднання вимірювань енергії та точної часової структури дозволило значно ефективніше ізолювати прискорювач, ніж це було б можливо за разових статичних спостережень.
Дослідження опубліковане в журналі National Science Review і відкриває нове вікно у вивчення найекстремальніших процесів у нашій галактиці.