Галактика скрывала это десятилетиями: загадочный излом спектра ведёт к мощным струям чёрных дыр

На протяжении десятилетий астрофизики пытались объяснить странный "излом" в спектре космических лучей — резкое падение их интенсивности около энергии в 3 ЭэВ. Это явление получило название "колено" и оставалось одной из самых запутанных загадок в современной астрофизике. Долгое время считалось, что такие высокоэнергетические частицы рождаются в сверхновых. Однако новые данные обсерватории LHAASO указывают на другую, куда более экстремальную природу этих ускорителей — микроквазары, связанные с чёрными дырами. Открытие переворачивает наши представления о происхождении самых мощных частиц в Млечном Пути.

Почему сверхновые больше не объясняют "колено"

Классическая теория утверждала: ударные волны сверхновых ускоряют частицы до экстремальных скоростей. Но наблюдений оказалось недостаточно — энергия в районе нескольких ЭэВ превышает пределы возможностей таких взрывов. LHAASO, сочетающая огромную площадь наблюдений и уникальные датчики гамма-излучения, обнаружила нечто удивительное: источниками излучения в диапазоне до десятков ПэВ оказались не сверхновые, а микроквазары — двойные системы, где чёрная дыра активно поглощает звезду-компаньона.

Микроквазары — новые главные "ускорители" Галактики

Пять микроквазаров, включая SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 и знаменитый Cygnus X-1, демонстрируют гамма-излучение невероятной мощности. Их релятивистские струи, разгоняющиеся почти до скорости света, создают условия для ускорения протонов до энергий, ранее считавшихся невозможными в пределах Галактики.

Особенно интересен SS 433: гамма-излучение высокой энергии совпадает с гигантским облаком атомарного газа, что говорит о взаимодействии протонов с веществом. По оценкам, частицы здесь превышают энергию 1 ЭэВ, а у других микроквазаров — даже 10 ЭэВ. Это уже сопоставимо с областью "колена" спектра космических лучей.

Сравнение источников космических лучей

Как LHAASO смогла измерить спектр протонов в зоне "колена"

До сих пор измерения протонов в этих энергиях считались почти невозможными. Спутники не имеют достаточной чувствительности, а наземные установки сталкиваются с помехами атмосферы. Однако LHAASO разработала метод выделения чистой выборки протонов благодаря многопараметрическому анализу вторичных частиц.

Впервые данные, полученные с Земли, сопоставимы по качеству со спутниковыми измерениями.

Исследователи обнаружили неожиданную деталь: переход в спектре не является плавным. Вместо простой смены степенного закона появляется новый компонент — дополнительный "вклад" в область высоких энергий. Это указывает, что в формировании спектра участвует несколько независимых типов источников.

Как интерпретировать новые данные

1. Рассматривать "колено" как результат наложения нескольких ускорителей, а не одного.

2. Сравнивать гамма-данные с прямыми измерениями протонов, чтобы выявить источник.

3. Учитывать роль микроквазаров в моделях космических лучей — их вклад оказался недооценён.

4. Проверять совпадения между гамма-излучением и газовыми облаками — это помогает локализовать ускорители.

5. Включать данные LHAASO в прогнозы распределения космических лучей по Галактике.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Опираться только на сверхновые как на единственный источник
  → Невозможность объяснить энергии в зоне "колена"
  → Добавлять микроквазары как равноправные ускорители

• Игнорировать гамма-излучение при изучении ускорения частиц
  → Пропуск ключевых взаимодействий протонов
  → Использовать многочастотный анализ, включая гамма-диапазон

• Считать спектр протонов однородным
  → Неверное построение моделей космических лучей
  → Разделять вклад разных типов ускорителей

А что если…

Хотя LHAASO нашла прямые подтверждения их роли, остаётся вопрос: существуют ли ещё более мощные ускорители? Возможны гипотетические объекты вроде пульсарных ветровых туманностей или массивных чёрных дыр с необычной геометрией струй. Если спектр продолжает расти на энергиях выше 10 ЭэВ, это может означать, что Галактика скрывает источники, превосходящие микроквазары по мощности.

Плюсы и минусы новой гипотезы

FAQ

Почему сверхновые не справляются с энергиями "колена"?
Они не создают достаточно сильных магнитных полей для разгона частиц до ЭэВ.

Что делает микроквазары эффективными ускорителями?
Релятивистские струи, образующиеся при аккреции, дают огромные градиенты энергии.

Можно ли наблюдать такие процессы напрямую?
Нет, но гамма-излучение является косвенной, но надёжной подписью взаимодействий протонов.

Мифы и правда

Миф: самые мощные лучи приходят из-за пределов Галактики.
Правда: часть экстремальных частиц рождается внутри Млечного Пути.

Миф: черные дыры только поглощают материю.
Правда: они выбрасывают струи, ускоряющие частицы до ПэВ.

Миф: "колено" возникло из-за ошибок измерений.
Правда: новые наблюдения подтверждают его реальность.

Три интересных факта

1. SS 433 — один из немногих микроквазаров, струи которого "пробивают" окружающее облако газа.
2. Cygnus X-1 — первый объект, признанный чёрной дырой.
3. Частицы с энергиями выше 10 ЭэВ встречаются реже одной на квадратный километр в год.

Исторический контекст

Легенда о "колене" берёт начало ещё в середине XX века, когда первые детекторы космических лучей зафиксировали резкий спад их интенсивности на уровне ~3 ЭэВ. Долгое время объяснение связывали с пределами ускорения в сверхновых. Однако с развитием гамма-астрономии и появлением обсерваторий нового поколения стало ясно, что Галактика богаче на источники высоких энергий, чем предполагали модели прошлого. LHAASO впервые объединила данные о гамма-лучах и частицах, приблизив науку к разгадке одной из самых стойких загадок астрофизики.