Mikrokwazary okazują się kluczowymi źródłami
Obserwatorium LHAASO zidentyfikowało pięć układów podwójnych zawierających czarne dziury, które emitują niezwykle energetyczne promieniowanie gamma. Na liście znalazły się SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 oraz Cygnus X-1. Systemy binarne z czarnymi dziurami, zwane mikrokwazarami, mogą być źródłem wysokoenergetycznej składowej promieni kosmicznych, odpowiedzialnej za charakterystyczne załamanie w widmie. W tych egzotycznych układach czarna dziura pochłania materię z towarzyszącej jej gwiazdy, tworząc przy tym potężne strugi plazmy wyrzucane z prędkością bliską prędkości światła. To właśnie te dżety działają jak naturalne akceleratory cząstek, nadając im ogromne energie.
Dane z układu SS 433 są szczególnie imponujące. Protony w tym systemie osiągnęły energie przekraczające 1 petaelektronowolt, a całkowita moc wyjściowa sięgnęła około 10³² dżuli na sekundę. Dla porównania, jest to równowartość energii uwalnianej przez cztery biliony najpotężniejszych bomb wodorowych detonowanych w każdej sekundzie. Równie fascynujące są obserwacje V4641 Sgr, który wyemitował promienie gamma o energii 0,8 PeV. Cząstki odpowiedzialne za to promieniowanie musiały mieć energie przekraczające 10 PeV – znacznie powyżej progu, przy którym obserwujemy „kolano”. Co ważne, mikrokwazary wypełniają lukę pozostawioną przez pozostałości po supernowych, które nie są w stanie przyspieszać cząstek do tak ekstremalnych energii.
Precyzyjne pomiary ujawniają strukturę widma
Chińskie obserwatorium przeprowadziło niezwykle dokładne pomiary widma energetycznego protonów w zakresie od 0,15 do 12 petaelektronowoltów. Średnia czystość próbki protonów osiągnęła 89,3 procent, co pozwoliło na precyzyjną analizę ich rozkładu energetycznego. Wyniki pokazały charakterystyczne „utwardzenie” widma – wzrost liczby cząstek względem ekstrapolacji z niższych energii – które osiąga maksimum przy 3 PeV. Później następuje gwałtowne „zmiękczenie”, czyli spadek liczby cząstek o wysokich energiach. Ta wyraźna struktura wskazuje na pojawienie się nowej składowej promieni kosmicznych w zakresie petaelektronowoltów.
Najważniejsze odkrycie dotyczy lokalizacji wspomnianego „kolana”. Energia, przy której występuje charakterystyczne załamanie dla samych protonów (3,3 PeV), jest praktycznie identyczna z jego energią dla wszystkich cząstek (3,67 PeV). Różnica mieści się w granicach błędu statystycznego wynoszącego około 0,5 PeV. To odkrycie definitywnie wyklucza wcześniejszy scenariusz, według którego obszar „kolana” miał być zdominowany przez ciężkie jądra atomowe, a protony miały być przyspieszane jedynie do około 0,1 PeV. LHAASO zebrało wystarczająco dużo próbek protonów o energiach wyższych niż 10 PeV, by odrzucić tę hipotezę.
Nowa era w astrofizyce wysokich energii
Obecne odkrycie ma fundamentalne znaczenie dla naszego rozumienia procesów zachodzących we wszechświecie. Po raz pierwszy udało się powiązać konkretną strukturę w widmie promieni kosmicznych z określonym typem źródła astrofizycznego, czyli układami podwójnymi zawierającymi czarne dziury. LHAASO odkryło już 43 ultra-wysokoenergetyczne źródła promieni gamma w Drodze Mlecznej, z maksymalną energią fotonów sięgającą 2,5 PeV. Te obiekty, określane mianem PeVatronów, stanowią naturalne akceleratory cząstek działające w naszej galaktyce.
Czytaj też: Astronomowie ogłosili kryzys w kosmologii. Napięcie Hubble’a nie znika
Badacze wskazują również na inne potencjalne źródła wysokoenergetycznych promieni kosmicznych. Układy binarne czarnych dziur z super-Eddingtonowską akrecją – procesem pochłaniania materii przekraczającym teoretyczne limity – mogą być kolejnymi kandydatami. Zrozumienie mechanizmów przyspieszania cząstek do ekstremalnych energii pomoże wyjaśnić nie tylko pochodzenie promieni kosmicznych docierających do Ziemi, lecz również procesy fizyczne zachodzące w najbliższym otoczeniu czarnych dziur. Hybrydowy detektor LHAASO, zaprojektowany i obsługiwany przez chińskich naukowców, okazał się kluczowym instrumentem dla tych przełomowych odkryć. Łączy on możliwość detekcji ultra-wysokoenergetycznych promieni gamma z precyzyjnymi pomiarami cząstek promieni kosmicznych, co pozwala na kompleksowe badanie zjawisk astrofizycznych.