Телескоп Ферми подтверждает, что сверхновые являются источниками экстремальных космических частиц

Проанализировав данные телескопа Ферми за 12 лет, исследователи подтвердили, что остаток сверхновой является подходящим регионом для производства космических лучей очень высокой энергии.

Поиск высокоэнергетических космических частиц и источников, способных их производить, ведется уже несколько лет. Недавно группа исследователей проанализировала 12-летние данные космического телескопа Fermi Gamma-ray Space Telescope НАСА и подтвердила, что остаток сверхновой является подходящим регионом для производства этого типа частиц.

Фактически, Ферми показал, что ударные волны от взорвавшихся звезд переносят частицы со скоростью, сравнимой со скоростью света. Называемые космическими лучами, эти частицы в основном имеют форму протонов, но могут включать атомные ядра и электроны. Поскольку все они электрически заряжены, их пути запутываются, когда они проходят через магнитное поле нашей галактики, что не позволяет нам распознать место их рождения. Но когда эти частицы сталкиваются с межзвездным газом вблизи остатка сверхновой, они производят заметное гамма-излучение. Самый высокоэнергетический свет из всех существующих.

Частицы, получающие энергию через магнитные поля

“Теоретики считают, что протоны от космических лучей самой высокой энергии в Млечном Пути достигают одного миллиона миллиардов электронвольт (порядка ПэВ)“, — объяснил Ке Фанг, доцент физики Висконсинского университета и ведущий автор исследования. “Точную природу их источников, которые мы называем ПеВатронами, было трудно определить”.

Частицы, захваченные хаотическими магнитными полями, многократно проходят через ударную волну, вызванную взрывом сверхновой. Это заставляет их набирать скорость и энергию с каждым проходом, пока ничто не может остановить их, и они не проносятся через межзвездное пространство. Обладая в 10 раз большей энергией, чем самый мощный в мире ускоритель частиц — Большой адронный коллайдер, протоны ПэВ почти способны полностью покинуть нашу Галактику.

На сегодняшний день астрономы определили несколько предполагаемых ПеВатронов. Среди кандидатов – остатки сверхновых (SNR, SuperNova Remnants). Однако из примерно 300 известных SNR только несколько были обнаружены способными испускать гамма-лучи с достаточно высокой энергией. Пока один конкретный звездный остаток не привлек внимание астрономов: G106.3+2.7, облако, расположенное на расстоянии около 2 600 световых лет от нас в созвездии Цефея. Яркий пульсар, классифицированный как J2229+6114, покрывает северную часть остатка сверхновой. Астрономы считают, что и пульсар, и SNR возникли в результате одного и того же звездного взрыва.

Пульсар как источник экстремальных космических частиц

Пульсар J2229+6114 испускает свои гамма-лучи как маяк, поскольку быстро вращается вокруг себя. Полученное свечение освещает область до энергий в несколько ГэВ. Большая часть этого излучения обнаруживается во время первой половины вращения пульсара.

Исследователи проанализировали только гамма-лучи из последней части звездного вращения. При этом они обнаружили следующее:

• Ниже 10 ГэВ значительное излучение из этой области остатка сверхновой G106.3+2.7 не исходит.
• Выше 10 ГэВ интерференция пульсаров пренебрежимо мала, в то время как дополнительный источник свечения очевиден. Детальный анализ, проведенный командой, свидетельствует в пользу того, что частицами, вызывающими дополнительное гамма-излучение, являются протоны ПэВ.

По этому поводу Фанг отметил: “Пока G106.3+2.7 уникален, но он может оказаться самым ярким представителем новой популяции остатков сверхновых, которые испускают гамма-лучи, достигающие энергии ТэВ. Еще больше таких объектов может быть обнаружено в ходе будущих наблюдений с помощью “Ферми” и обсерваторий гамма-излучения сверхвысоких энергий”. В следующем видеоролике — краткое описание открытия.

Ферми и гамма-излучение мощностью в один миллиард электронов вольт

Large Area Telescope, основной инструмент “Ферми”, обнаружил гамма-лучи с энергией в один миллиард электрон-вольт (ГэВ) в протяженном хвосте остатка сверхновой G106.3+2.7. Для сравнения, энергия видимого света составляет от 2 до 3 электронвольт, так что это действительно очень высокие энергии.

Система Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) в обсерватории Фреда Лоуренса Уиппла в южной Аризоне зарегистрировала гамма-лучи еще более высокой энергии из того же региона. Кроме того, Высотная водная черенковская гамма-обсерватория в Мексике и Тибетский АС-гамма эксперимент в Китае обнаружили фотоны с энергией 100 триллионов электрон-вольт (ТэВ) из той же области, которую исследовали Ферми и VERITAS.