Лебедь X-3 испускает гамма-кванты с энергией до 3,7 ПэВ

Международная коллаборация астрофизиков, в которую входят исследователи из МФТИ, обнаружила переменное гамма-излучение от знаменитой двойной системы Лебедь X-3 с энергией фотонов до 3,7 петаэлектронвольта (ПэВ). Это в сотни раз больше энергии протонов, разгоняемых в Большом адронном коллайдере. Наблюдения позволяют предположить, что вблизи компактного объекта этой системы протоны могут ускоряться до энергий в десятки ПэВ.

Работа опубликована в журнале National Science Review в формате принятой к публикации рукописи.

Лебедь X-3, или Cygnus X-3, — тесная двойная система, состоящая из массивной звезды типа Вольфа — Райе и компактного объекта, природа которого пока окончательно не установлена. Им может быть как черная дыра, так и нейтронная звезда. Звезды Вольфа — Райе отличаются высокой температурой, мощными звездными ветрами и повышенным содержанием элементов тяжелее водорода в их внешних слоях. Период обращения объектов в системе составляет всего 4,8 часа.

Лебедь X-3 относится к микроквазарам — системам, в которых компактный объект может выбрасывать узкие струи вещества, называемые джетами. Они движутся со скоростями, близкими к скорости света, и способны разгонять частицы до чрезвычайно высоких энергий. Такие объекты представляют собой природные ускорители, однако определить, где именно происходит разгон частиц и какие механизмы за него отвечают, непросто.

Гамма-излучение помогает исследовать эти процессы. Энергия гамма-квантов и изменения яркости источника позволяют судить о физических условиях в области, где рождается излучение, и о механизмах ускорения частиц.

Для поиска таких сигналов ученые использовали установку LHAASO, расположенную в китайской провинции Сычуань на высоте около 4,4 километра над уровнем моря. Она регистрирует не сами гамма-кванты, а каскады вторичных частиц — широкие атмосферные ливни, которые возникают, когда высокоэнергетические фотоны взаимодействуют с атомами атмосферы. По характеристикам этих ливней исследователи восстанавливают энергию и направление движения исходных частиц.

Проанализировав более пяти лет наблюдений — с декабря 2019-го по июль 2024 года, — астрономы обнаружили в направлении Лебедя X-3 точечный источник гамма-излучения. Пять зарегистрированных фотонов имели энергию выше 1 ПэВ. Два самых энергичных из них достигали 3,7 и 3,1 ПэВ.

Однако особый интерес представляет не только энергия фотонов, но и изменчивость источника. Периоды усиления гамма-излучения в сверхвысокоэнергетическом диапазоне совпадали с яркими вспышками, которые одновременно регистрировал космический телескоп Fermi-LAT, наблюдающий в более низком диапазоне энергий. Когда активность системы снижалась, фотоны с энергией выше 0,4 ПэВ не регистрировались.

Такая связь между вспышками в разных диапазонах указывает на то, что источник излучения, вероятно, находится внутри двойной системы или в непосредственной близости от нее. Одним из наиболее вероятных мест его возникновения исследователи считают внутреннюю область джета, где процессы ускорения частиц могут протекать особенно интенсивно.

Необычным оказался и спектр излучения. После учета поглощения гамма-квантов на пути к Земле в нем проявился возможный подъем интенсивности выше 1 ПэВ. На столь высоких энергиях существенную роль в поглощении играет взаимодействие гамма-квантов с фотонами реликтового микроволнового излучения — космического фона, оставшегося от ранней Вселенной.

Чтобы объяснить наблюдаемый спектр, физики рассмотрели адронный сценарий — механизм, в котором ключевую роль играют взаимодействия протонов.

Юрий Стенькин, профессор кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ, так рассказал о выводах исследователей: «Еще в 1980-х годах были сообщения о гамма-излучении от Лебедя X-3, но их ставили под сомнение. Новые данные не просто подтверждают, что источник реален, они показывают, что его излучение меняется, а значит, связано с активностью внутренних областей системы. Мы считаем, что все дело в протонах. В сильном магнитном поле электроны слишком быстро теряют энергию, а протоны выживают и могут разгоняться до 15 ПэВ и выше. Сталкиваясь с ультрафиолетовым светом звезды, они рождают короткоживущие частицы — нейтральные пионы, которые распадаются на гамма-кванты. Этот процесс объясняет подъем спектра около 1 ПэВ».

В предлагаемой модели протоны, разогнанные до энергий в десятки ПэВ, сталкиваются с фотонами ультрафиолетового излучения звезды. В результате таких взаимодействий могут рождаться нейтральные пионы — нестабильные частицы, которые практически мгновенно распадаются на гамма-кванты. Именно этот процесс, по мнению авторов, способен объяснить особенности спектра в области около 1 ПэВ.

Впрочем, одного механизма недостаточно, чтобы описать весь зарегистрированный диапазон энергий, начинающийся примерно с 0,06 ПэВ. Излучение с энергиями ниже 1 ПэВ исследователи связывают с дополнительными процессами: столкновениями протонов с веществом джета или звездного ветра, а также с взаимодействиями протонов с рентгеновскими фотонами. Таким образом, само гамма-излучение и его переменность непосредственно зарегистрированы экспериментально, тогда как ускорение протонов до десятков ПэВ и конкретные механизмы рождения фотонов представляют собой физическую интерпретацию наблюдений, предложенную авторами работы.

Модель дает и другие проверяемые предсказания. В частности, микроквазары, подобные Лебедю X-3, могут быть источниками нейтрино — частиц, которые рождаются в тех же адронных процессах, — а также создавать протяженное гамма-гало вокруг себя. Поиск этих сигналов поможет проверить предложенный сценарий. Возможно, дополнительные свидетельства удастся обнаружить с помощью самой установки LHAASO или будущих нейтринных телескопов.

Источник: Энергия одного фотона — до 3,7 ПэВ: ученые поймали экстремальное излучение Лебедя X-3 — За науку