Галактика хранит свои сюрпризы не хуже детектива: микроквазары перепрыгивают энергетический барьер сверхновых

К космическим лучам привыкли относиться как к чему-то далёкому и загадочному, но именно они много лет ставили в тупик астрофизиков по всему миру. В спектре этих частиц есть странный излом — "колено", за которым привычные источники энергии перестают работать. И только недавно учёные смогли показать: эту аномалию создают микроквазары — компактные системы, в которых чёрная дыра превращается в природный ускоритель, намного мощнее любого земного аналога. Новые данные стали возможны благодаря комплексу LHAASO, который научился настолько точно выделять протоны, что открыл новый фрагмент той самой загадочной "хвостовой" области энергий.

Почему "колено" так важно и что оно означает

Когда частицы прилетают к Земле, их поток постепенно снижается с ростом энергии — и долгое время этот процесс выглядел довольно предсказуемо. Но примерно в районе 10¹⁵ электронвольт график вдруг резко меняет наклон. Этот обрыв и называют "коленом". Сверхновые могут разгонять частицы лишь до этого порога, а всё, что выше, словно требует другого механизма.

Именно поэтому десятилетиями шли поиски объектов, способных обеспечить колоссальные ускорения протонов. И хотя микроквазары давно находились под подозрением, прямых доказательств их вклада никто не видел — просто потому, что отделить протоны от остальных частиц на таких энергиях чрезвычайно трудно.

Как микроквазары создают поток рекордных энергий

Микроквазар — это двойная система, где чёрная дыра забирает вещество со звезды-компаньона. Материя, падая на чёрную дыру, формирует горячий диск и выбрасывается наружу в виде узких струй. Эти релятивистские джеты, движущиеся почти со скоростью света, и служат ускорителями. Когда такие протоны сталкиваются с газом, возникают гамма-лучи, которые и фиксирует обсерватория.

Именно по яркости и спектру этих гамма-вспышек команда проекта LHAASO поняла: энергии протонов преспокойно перепрыгивают через предел "колена" и идут значительно выше.

"Впервые в мире мы нашли источники, которые действительно могут объяснить космические лучи в области колена", — сказал главный научный руководитель LHAASO Цао Чжэнь.

Эта фраза стала знаковой: впервые появилась возможность связать необычный изгиб спектра с конкретными объектами в нашей галактике.

Технология, которая позволила увидеть невозможное

Чтобы выделить протоны среди редчайших высокоэнергетических частиц, LHAASO использует многоуровневый подход: наземные сцинтилляторы, мюонные подземные детекторы и черенковские телескопы. Сочетание методов дало исключительную чистоту сигнала — настолько, что результаты сравнимы со спутниковыми экспериментами.

В спектре появился отчётливый "хвост" протонов, который невозможно объяснить сверхновыми. Это значит, что в галактике должны существовать ещё несколько подобных микроквазаров — примерно десяток, по оценкам учёных.

Сравнение: источники ускорения протонов

Советы шаг за шагом: как изучаются такие системы

1. Астрономы фиксируют гамма-всплески микроквазаров с помощью черенковских телескопов.

2. Проводят моделирование столкновения протонов с межзвёздным газом.

3. Сравнивают спектр гамма-лучей с эталонными кривыми ускорения.

4. Оценивают мощность струй и условия вблизи чёрной дыры.

5. Формируют каталоги потенциальных микроквазаров для дальнейшего мониторинга.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

1. Ошибка: считать сверхновые единственным источником высоких энергий.
   Последствие: невозможность объяснить данные в области "колена".
   Альтернатива: учитывать микроквазары как полноценные природные ускорители.

2. Ошибка: анализировать гамма-лучи без разделения частиц по массам.
   Последствие: искажённая картина спектра.
   Альтернатива: использовать многоуровневые детекторы наподобие LHAASO.

3. Ошибка: игнорировать влияние магнитных полей вокруг чёрных дыр.
   Последствие: неверные оценки энергии протонов.
   Альтернатива: применять современные МГД-модели джетов.

А что если…

Что если микроквазары работают как естественные аналоги ЛHC, но гораздо мощнее? Тогда изучение их джетов может подсказать направления для создания новых ускорителей — компактных и энергоэффективных.

Что если в будущем удастся разглядеть ускорение не только протонов, но и тяжёлых ядер? Это поможет понять химический состав галактических лучей на высших энергиях.

Что если удастся объединить данные LHAASO с нейтринными обсерваториями? Такие совпадения событий стали бы прямым доказательством происхождения высокоэнергетических частиц.

Плюсы и минусы микроквазаров как космических ускорителей

FAQ

Как учёные определяют энергию протонов?
По спектру гамма-лучей, возникающих при столкновениях протонов с межзвёздным газом.

Сколько микроквазаров может быть в галактике?
Оценка — порядка десяти, но открыты пока лишь несколько.

Можно ли наблюдать такие объекты в оптическом диапазоне?
Редко: свет звезды-компаньона виден, а сами джеты лучше фиксировать в рентгене и гамма-диапазоне.

Мифы и правда

1. Миф: микроквазары слишком слабые, чтобы ускорять частицы.
   Правда: их джеты создают энергии выше возможностей сверхновых.

2. Миф: "колено" — просто ошибка измерений.
   Правда: изгиб подтверждён десятками экспериментов.

3. Миф: такие системы уникальны и встречаются только в других галактиках.
   Правда: несколько микроквазаров обнаружены прямо в Млечном Пути.

Исторический контекст

Идея о том, что высокоэнергетические частицы должны иметь более мощный источник, появилась ещё в середине XX века. Но инструменты для проверки этой гипотезы появились только с развитием наземных черенковских комплексов. LHAASO стал первым объектом, который объединил разные типы детекторов — и это позволило увидеть спектр протонов без примесей тяжёлых ядер.

Три интересных факта

1. Джеты микроквазаров могут пролетать десятки световых лет, оставаясь почти идеально узкими.

2. Потоки частиц в таких струях сравнимы по плотности энергии с человеческими ускорителями — но на космических масштабах.

3. Некоторые микроквазары демонстрируют резкие вспышки, когда поток вещества от звезды-компаньона внезапно усиливается.