Zagonetka kosmičkih zraka rešena – naučnici povezuju formaciju 'kolena' i crne rupe

Opservatorija LHAASO u Sičuanu u Kini rešila je višedecenijsku misteriju u pogledu energetskog spektra kosmičkih zraka – oštra redukcija kosmičkih zraka iznad 3 PeV, što daje neobičan oblik sličan "kolenu".

Uzrok "kolena" je nejasan od njegovog otkrića pre skoro 70 godina. Naučnici spekulišu da je to povezano sa granicom ubrzanja astrofizičkih izvora kosmičkih zraka i odražava prelaz energetskog spektra kosmičkih zraka sa jednog nivoa na drugi.

Preporučujemo

Međutim, nedavne studije pokazuju da mikrokvazari izazvani akrecijom sistema crne rupe predstavljaju moćne akceleratore čestica u Mlečnom putu i verovatan izvor "kolena". Studije takođe unapređuju naše razumevanje ekstremnih fizičkih procesa u sistemima crnih rupa.

Mikrokvazari kao kosmički akceleratori

Crne rupe, koje su među najtajanstvenijim objektima u univerzumu, proizvode relativističke mlazove prilikom akrecije materijala od pratećih zvezda u binarnim sistemima, formirajući "mikrokvazare". LHAASO je sistematski prvi put detektovao ultravisokoenergetske gama zrake od pet mikrokvazara: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070, i Cygnus X-1.

Takođe je otkriveno da se ultravisokoenergetsko zračenje od SS 433 preklapa sa džinovskim atomskim oblakom, što snažno sugeriše da crna rupa ubrzava visokoenergetske protone i da se sudaraju sa okolnom materijom.

Protonska energija u ovom sistemu prevazišla je 1 PeV, sa ukupnim energetskim proizvodom od otprilike 1032 džula po sekundi, što je ekvivalentno energiji koju po sekundi oslobađaju četiri biliona najmoćnijih hidrogenskih bombi. Energija gama zraka od V4641 Sgr je dostizala 0.8 PeV, što čini još jednan "super PeV akcelerator čestica", dok su matične čestice koje generišu ove gama zrake imale energije preko 10 PeV.

Ovi rezultati dokazuju da su mikrokvazari značajni PeV akceleratori čestica u Mlečnom putu. Iako su ostaci supernova prepoznati kao izvori kosmičkih zraka, opservacione i teorijske studije pokazuju da oni ne mogu ubrzati kosmičke zrake do energija "kolena" i većih.

Da bi se u potpunosti razumeo ovaj fenomen, neophodna su precizna merenja energetskih spektara različitih vrsta kosmičkih zraka, uključujući njihova odgovarajuća "kolena". Prvi korak je merenje energetskog spektra najlakših nukleona — protona. Međutim, kosmički zraci u regionu "kolena" su retki i satelitski detektori imaju ograničenu osetljivost, što detekciju čini sličnom pronalaženju igle u plastu sena.

U zemaljskim indirektnim merenjima čestica kosmičkih zraka, nemoguće je izbeći atmosferske smetnje. To otežava razlikovanje protona od drugih nukleona. Dugo je ovo merenje smatrano nemogućim.

Pomoću najnaprednije opservacione opreme bazirane na Zemlji, LHAASO je razvio tehnike multiparametarskog merenja i izabrao veliki statistički uzorak protona visoke čistoće, što je omogućilo precizno merenje njihovog energetskog spektra, sa preciznošću uporedivom sa satelitskim eksperimentima. Ovo merenje je otkrilo strukturu energetskog spektra koja je bila potpuno neočekivana, jasno prikazujući novu "visokoenergetsku komponentu" umesto jednostavnog prelaza između nivoa.

Više akceleratora oblikuje poreklo kosmičkih zraka

Novi nalazi opservatorije LHAASO, zajedno sa niskenergetskom komponentom koju je izmerio svemirski eksperiment AMS-02 i srednjeenergetskom komponentom koju je izmerio svemirski eksperiment DAMPE, otkrili su postojanje više akceleratora unutar Mlečnog puta, s tim da svaki ima svoj poseban kapacitet ubrzanja i energetski opseg. "Koleno" predstavlja granicu ubrzanja izvora odgovornih za proizvodnju visokoenergetske komponente.

Složena struktura energetskog spektra protona ukazuje na to da protoni kosmičkih zraka u PeV energetskom opsegu potiču prvenstveno iz "novih izvora" kao što su mikrokvazari, koji imaju limit ubrzanja značajno viši nego ostaci supernova. To im omogućava da stvore visokoenergetske kosmičke zrake koje premašuju "koleno".

Otkrića povezuju crne rupe sa kosmičkim zracima

Ne samo da je ovo značajan napredak u rešavanju dugotrajne misterija porekla "kolena", već daje ključne opservacione dokaze za razumevanje uloge crnih rupa u poreklu kosmičkih zraka.

Hibridni detektorski niz opservatorije LHAASO omogućava detekciju izvora kosmičkih zraka putem ultravisokoenergetskih gama zraka, kao i precizno merenje čestica kosmičkih zraka u blizini solarnog sistema. Ovaj pristup daje uvide u kapacitete ubrzanja koje imaju izvori na nivoima PeV energija i spektralne karakteristike koje doprinose kosmičkim zracima. Prvi put je struktura "kolena" opservaciono povezana sa specifičnom vrstom astrofizičkog izvora—sistemom mlazova crnih rupa.

LHAASO, koji su dizajnirali, konstruisali i njime upravljaju kineski naučnici, predvodi istraživanjima visokoenergetskih kosmičkih zraka zahvaljujući osetljivosti u pogledu astronomskog istraživanja gama zraka i u pogledu preciznog merenja kosmičkih zraka. Postigao je niz otkrića koja imaju globalni uticaj, doprinoseći našem znanju o ekstremnim fizičkim procesima u svemiru.

(Telegraf Nauka/Phys.org)