Астрономы уже давно ищут места запуска некоторых из протонов с самой высокой энергией в нашей галактике. Теперь исследование с использованием данных НАСА за 12 лет. Космический гамма-телескоп Ферми подтверждает, что остаток сверхновой звезды или взрыва звезды является именно таким местом, разгадывающим десятилетнюю космическую тайну.
Недавно обнаруженный PeVatron (розовый) находится в остатке сверхновой (зеленый) под названием G106.3+2.7. Считается, что остаток сверхновой образовался вместе с пульсаром (выделено пурпурным цветом) около 10 000 лет назад. Частицы, ускоренные ударными волнами остатка сверхновой, взаимодействуют с газом в межзвездной среде, производя высокоэнергетическое гамма-излучение. Авторы и права: Джаянн Инглиш, Университет Манитобы, NASA/Fermi/Fang и др. 2022 г. и Canadian Galactic Plane Survey/DRAO.
Ранее Ферми показал, что ударные волны взорвавшихся звезд разгоняют частицы до скоростей, сравнимых со скоростью света. Эти частицы, называемые космическими лучами, в основном имеют форму протонов, но могут включать атомные ядра и электроны. Поскольку все они несут электрический заряд, их пути становятся запутанными, когда они проносятся через магнитное поле нашей галактики, которое маскирует их происхождение. Но когда эти частицы сталкиваются с межзвездным газом вблизи остатка сверхновой, они производят контрольное свечение в гамма-лучах — свет с самой высокой энергией.
«Теоретики считают, что протоны космических лучей с самой высокой энергией в Млечном Пути достигают энергии в миллион миллиардов электрон-вольт или ПэВ (для пета-электрон-вольт)», — говорит Ке Фанг, доцент кафедры физики в Висконсинском центре астрофизики частиц IceCube Университета Висконсин-Мэдисон. «Точную природу их источников, которые мы называем PeVatrons, было трудно определить».
Фанг, который руководил исследованием, провел анализ данных и разработал теоретические модели. Она и ее соавторы опубликовали свои выводы на этой неделе в журнале Physical Review Letters.
Исследовательская группа идентифицировала несколько подозреваемых ПеВатронов, в том числе одного в центре нашей галактики. Остатки сверхновых, или SNR, возглавляют список кандидатов. Однако было обнаружено, что из примерно 300 известных остатков лишь немногие излучают гамма-лучи с достаточно высокими энергиями.
Одно конкретное крушение звезды привлекло большое внимание гамма-астрономов. Названное G106.3+2.7, это облако в форме кометы находится на расстоянии около 2600 световых лет в созвездии Цефея. Яркий пульсар закрывает северную оконечность SNR, и астрономы считают, что оба объекта образовались в результате одного и того же взрыва.
Ке Фанг
По словам Фанга, SNR являются ведущими кандидатами в качестве источников космических лучей из-за того, насколько эффективно они отбрасывают заряженные субатомные частицы, такие как протоны, вперед и назад, пока они не достигнут очень высоких уровней энергии — процесс, называемый диффузионным ударным ускорением.
«Однако наблюдалась только пара SNR выше 1 ТэВ (тераэлектронвольт или 1 триллион электронвольт)», — говорит Фанг. «Наша работа предоставляет данные наблюдений для одного из них как PeVatron».
Большой телескоп Ферми (LAT), его основной инструмент, обнаружил гамма-лучи мощностью в миллиард электрон-вольт (гигаэлектрон-вольт или ГэВ) из расширенного хвоста остатка; для сравнения, энергия видимого света составляет от 2 до 3 электрон-вольт.
В Очень мощная система массива телескопов радиационной визуализации (ВЕРИТАС) в Обсерватория Фреда Лоуренса Уиппла в южной Аризоне зафиксировали гамма-лучи еще более высокой энергии из того же региона. И оба Высокогорная водная Черенковская гамма-обсерватория в Мексике и Тибет АС-Гамма установка в Китае зарегистрировала фотоны с энергией 100 ТэВ из области, исследованной Fermi и VERITAS.
Пульсар J2229+6114 испускает собственное гамма-излучение в виде маяка, похожего на маяк, когда он вращается, и это свечение доминирует в регионе до энергий в несколько ГэВ. Большая часть этого излучения приходится на первую половину вращения пульсара. Команда эффективно отключила пульсар, проанализировав только гамма-лучи, приходящие из последней части цикла. Ниже 10 ГэВ существенного излучения хвоста остатка не наблюдается.
Выше этой энергии интерференция пульсара незначительна, и дополнительный источник становится очевидным. Детальный анализ команды в подавляющем большинстве случаев отдает предпочтение протонам PeV как частицам, вызывающим это гамма-излучение.
«Пока что G106.3+2.7 уникален, но он может оказаться самым ярким представителем новой популяции SNR, испускающих гамма-лучи, достигающие энергий ТэВ», — говорит Фанг, член научного сотрудничества Fermi LAT. «Больше их может быть обнаружено в ходе будущих наблюдений Ферми и гамма-обсерваторий очень высоких энергий».
Это исследование было проведено совместно с соавторами и участниками сотрудничества Fermi LAT Мэтью Керром, Роджером Бландфордом, Хенрике Флейшхак и Эриком Чарльзом.
Научная коллаборация Fermi LAT в настоящее время включает более 400 ученых и студентов из более чем 90 университетов и лабораторий в 12 странах.
Космический гамма-телескоп Ферми — это партнерство астрофизиков и физиков элементарных частиц, управляемое Центром космических полетов имени Годдарда НАСА. Fermi был разработан в сотрудничестве с Министерством энергетики США при важном участии научных учреждений и партнеров из Франции, Германии, Италии, Японии, Швеции и США.
