Promienie kosmiczne o energiach przekraczających 1 PeV od lat są zagadką, która wymaga istnienia natury potrafiącej “wymyślić” akceleratory potężniejsze niż jakiekolwiek urządzenie zbudowane przez człowieka. Do tej pory uważano, że takie źródła muszą znajdować się poza naszą galaktyką, bo znane obiekty Drogi Mlecznej – supernowe czy pulsary – nie były w stanie dostarczyć energii rzędu PeV. Naukowcy mówili wtedy o “PeVatronach”, ale traktowali je bardziej jako hipotetyczne twory niż realne, zweryfikowane obiekty.
Czytaj też: Kosmiczny taniec gigantów uchwycony po raz pierwszy w historii. Dwie czarne dziury krążą wokół siebie
Nowa analiza danych z LHAASO podważa ten obraz. Wynika z niej, że Droga Mleczna nie tylko może posiadać własne PeVatrony, lecz że ich sygnały są już widoczne, a ich źródła zlokalizowane. To największy przełom w zagadce pochodzenia wysokoenergetycznych promieni kosmicznych od kilku dekad.
Czarne dziury jako PeVatrony
Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) to jedno z najbardziej zaawansowanych narzędzi do badania promieniowania kosmicznego. Położone 4410 m n.p.m., na Wyżynie Tybetańskiej, rejestruje kaskady cząstek, które powstają po zderzeniu promienia kosmicznego lub promienia gamma z atmosferą. Instrumenty LHAASO działają jako wielowarstwowy system detekcji: jedne obserwują błyski Czerenkowa w powietrzu, inne wychwytują światło powstające w basenach wodnych, jeszcze inne rejestrują światło scyntylacyjne wywołane uderzeniem wtórnych cząstek w plastikowe detektory. Dodatkowo, pod ziemią znajdują się detektory muonów, które pozwalają odróżniać kaskady wywołane przez promienie gamma od tych pochodzących od naładowanych protonów.
To właśnie zdolność odseparowania promieni gamma okazała się kluczowa. Gamma, w przeciwieństwie do protonów, nie jest odchylane przez pola magnetyczne galaktyki, więc przylatuje do Ziemi po linii prostej. Oznacza to, że można je “cofnąć” do miejsca ich narodzin.
Przez lata kształt widma promieni kosmicznych traktowano jak drogowskaz. W charakterystycznym załamaniu krzywej, tzw. kolanie, widziano granicę między źródłami galaktycznymi a pozagalaktycznymi. Supernowe i pulsary miały odpowiadać za promienie poniżej kolana, a ekstremalne kwazary i gamma-rozbłyski – za cząstki powyżej.
Jednak ogromne ilości danych z LHAASO ujawniły, że sytuacja jest bardziej złożona. W pierwszej części analizy opublikowanej w Science Bulletin badacze opisali wyraźny “garb” w widmie energii około 3 PeV. To sygnał, którego nie da się wyjaśnić za pomocą znanych akceleratorów galaktycznych. Wskazuje on na istnienie nowej klasy źródeł wewnątrz Drogi Mlecznej – potężniejszych niż supernowe i pulsary, ale mniejszych i bardziej dynamicznych niż supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk.
Pięć mikrokwazarów jako podejrzani
Drugie z nowych badań, opublikowane w National Science Review, opisuje najważniejszy krok: wykrycie wiązek promieni gamma o energiach sięgających i przekraczających 100 TeV oraz prześledzenie ich drogi aż do 5 znanych mikrokwazarów w Drodze Mlecznej. Są to układy, w których czarna dziura o masie gwiazdowej pożera materię towarzyszącej jej gwiazdy, a część tej materii jest wyrzucana w kosmos w postaci wąskich strumieni poruszających się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Właśnie te strumienie okazują się zdolne do przyspieszania cząstek do energii PeV.
To odkrycie, zdaniem Kayi Mori z Columbia University, jest “rewolucyjne”, bo po raz pierwszy wskazuje konkretne, obserwowalne obiekty jako źródła promieni kosmicznych o najwyższych energiach. Mikrokwazary stają się tym samym najbardziej realnymi kandydatami na galaktyczne PeVatrony, obalając przekonanie, że Droga Mleczna jest zbyt “spokojna”, by takie akceleratory w niej istniały.
Odkrycie mikrokwazarów jako potencjalnych źródeł ekstremalnych kosmicznych cząstek otwiera przed astrofizyką zupełnie nową przestrzeń badawczą, ale jednocześnie tworzy nowe zagadki. Nie wiadomo jeszcze, dlaczego tylko część mikrokwazarów może działać jako PeVatrony, ani jakie dokładnie warunki muszą być spełnione w dżecie czarnej dziury, aby przyspieszyć protony do energii 1-3 PeV. Nie jest także jasne, jak dokładnie powstają towarzyszące im promienie gamma, choć badacze podejrzewają procesy hadronowe, w których wysokoenergetyczne protony zderzają się z materią w pobliżu dżetu.
Wyniki z LHAASO mają też znaczenie dla badań odległych kwazarów. Jak zauważa Josep Paredes z Uniwersytetu w Barcelonie, mikrokwazary są w pewnym sensie miniaturowymi wersjami swoich supermasywnych, potężniejszych krewniaków. Ich bliskość sprawia, że mogą pełnić rolę “laboratoriów” dla fizyki ekstremalnej, umożliwiając testowanie mechanizmów akceleracji, które w kwazarach są trudne do obserwacji ze względu na ich wielką odległość.
Choć identyfikacja pięciu mikrokwazarów jest dużym krokiem naprzód, pełne zrozumienie procesów akceleracji w tych obiektach dopiero się zaczyna. Jak zauważa Liu Ruoyu z Uniwersytetu w Nankinie, “wciąż jesteśmy bardzo daleko od wyjaśnienia, jak dokładnie mikrokwazar potrafi przyspieszać cząstki do energii PeV”. W kolejnych latach kluczowe będzie zintegrowanie danych LHAASO z obserwacjami innych instrumentów badających promienie gamma i neutrina, a także tworzenie nowych modeli teoretycznych uwzględniających dynamikę dżetów i warunki magnetyczne.