Спектральное распределение энергии пузыря Лебедя и результаты подбора модели.
Авторы и права: профессор Цао и др.

Исследование было завершено коллаборацией LHAASO под руководством профессора Цао Чжэня в качестве представителя Института физики высоких энергий Китайской академии наук. Доктор Гао Чуандун, доктор Ли Конг, профессор Лю Жоюй и профессор Ян Жуйчжи являются соавторами статьи.

Космические лучи — это заряженные частицы из космоса, состоящие в основном из протонов. Происхождение космических лучей — одна из важнейших передовых проблем современной астрофизики. Измерения космических лучей в последние десятилетия выявили излом около 1 ПэВ в энергетическом спектре (т. е. в распределении численности космических лучей в зависимости от энергии частиц), который называется «коленом» энергетического спектра космических лучей по форме напоминающий коленный сустав.

Ученые полагают, что космические лучи с энергией ниже «колена» исходят от астрофизических объектов внутри Млечного Пути, а существование «колена» также указывает на энергетический предел ускорения протонов от большинства источников космических лучей в Млечном Пути составляет около нескольких ПэВ. Однако происхождение космических лучей в области «колена» до сих пор остается неразгаданной загадкой и одной из самых интригующих тем в исследованиях космических лучей последних лет.

LHAASO обнаружил гигантскую структуру пузыря сверхвысоких энергий гамма-излучения в области звездообразования Лебедя с множеством фотонов внутри структуры, превышающих 1 ПэВ, с максимальной энергией, достигающей 2,5 ПэВ, что указывает на наличие сверхускорителя космических лучей внутри пузыря, который непрерывно ускоряет высокоэнергетические частицы космических лучей с энергией до 20 ПэВ и выбрасывает их в межзвездное пространство.

Эти космические лучи высокой энергии сталкиваются с межзвездным газом и производят гамма-лучи. Интенсивность этих гамма-фотонов четко коррелирует с распределением окружающего газа, а массивное звездное скопление (ассоциация OB, Cygnus OB2) вблизи центра пузыря является наиболее многообещающим кандидатом на роль суперускорителя космических лучей. Лебедь OB2 состоит из множества молодых, горячих и массивных звезд с температурой поверхности, превышающей около 35 000 °C (звезды O-типа) и 15 000 °C (звезды B-типа).

Радиационная светимость этих звезд в сотни-миллионы раз превышает солнечную, а огромное радиационное давление сдувает поверхностное вещество звезд, образуя динамические звездные ветры со скоростью до тысяч километров в секунду. Столкновение звездных ветров с окружающей межзвездной средой и сильное столкновение звездных ветров создали идеальные места для эффективного ускорения частиц.

Это первый обнаруженный на данный момент суперускоритель космических лучей. Ожидается, что с увеличением времени наблюдения LHAASO обнаружит больше суперускорителей космических лучей и, возможно, разгадает тайну происхождения космических лучей в Млечном Пути.

Наблюдения LHAASO также показали, что суперускоритель космических лучей внутри пузыря значительно увеличивает плотность космических лучей в окружающем межзвездном пространстве, намного превышая средний уровень космических лучей в Млечном Пути. Пространственное распространение избытка плотности даже превышает наблюдаемый диапазон пузырей, что дает возможное объяснение избытку диффузного гамма-излучения из плоскости Галактики, ранее обнаруженному LHAASO.

Профессор Елена Амато, астрофизик из Итальянского национального астрофизического института (INAF), подчеркнула влияние открытия на происхождение космических лучей в целом. Она также отметила, что это открытие «не только влияет на наше понимание диффузного излучения, но также имеет очень важные последствия для нашего описания переноса космических лучей (КЛ) в галактике».

LHAASO — это ключевая научная и технологическая инфраструктура, занимающаяся исследованиями космических лучей, расположенная на высоте 4410 метров на горе Хайцзы в округе Даочэн, провинция Сычуань, Китай. Это составная группа, состоящая из наземного массива площадью один квадратный километр, состоящего из 5216 детекторов электромагнитных частиц и 1188 детекторов мюонов, массива черенковских детекторов воды площадью 78 000 квадратных метров и 18 широкоугольных черенковских телескопов.

LHAASO был завершен в июле 2021 года и после этого начал качественную и стабильную работу. Это самое чувствительное в мире устройство для обнаружения гамма-лучей сверхвысокой энергии. Объект управляется Институтом физики высоких энергий и использует универсальную модель международного сотрудничества для обеспечения открытого обмена платформами установки и данными наблюдений. В настоящее время 32 отечественных и зарубежных астрофизических научно-исследовательских учреждения стали членами международного сотрудничества LHAASO, насчитывая около 280 членов.