Космический «адронный коллайдер» работает в созвездии Лебедя

Есть ли в космосе места, аналогичные Большому адронному коллайдеру (БАК) в ЦЕРНе, или рукотворная конструкция создает уникальные условия для возникновения потоков элементарных частиц? Оказывается, верно первое. Дахир Джаппуев, Валерий Петков, Сергей Троицкий и их коллеги из Института ядерных исследований РАН обнаружили в далеком космосе, в созвездии Лебедя, источник излучения, работающий так же, как БАК. Статья с результатами наблюдений принята к публикации в престижном астрономическом журнале Astrophysical Journal Letters.

На установке «Ковер-2» (Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН) зарегистрирована вспышка гамма-излучения с экстремально высокими энергиями выше 300 ТэВ от области в созвездии Лебедя, содержащей несколько объектов, которые могут служить ускорителями космических лучей. Вспышка совпадает по времени с приходом с того же направления нейтрино высокой энергии, зарегистрированного телескопом IceCube (международный эксперимент на Южном полюсе). Это первое одновременное наблюдение фотонов и нейтрино таких высоких энергий. Оно означает, что в изучаемой области работает космический «адронный коллайдер» — ускоритель протонов, сталкивающихся с межзвездным веществом и рождающих нейтрино и фотоны.

Ведь что такое адронный коллайдер? Это место, где сталкиваются тяжелые элементарные частицы — адроны, в данном случае — протоны, разогнанные до очень высоких энергий. В космосе происходит нечто подобное. Другой вопрос, что таких высоких энергий, как мы видим в космосе, достичь в естественных условиях очень трудно. В ЦЕРНе в строительство коллайдера вложили миллиарды долларов. А в источнике в созвездии Лебедя этот процесс идет естественным путем. Протоны сталкиваются с протонами и рождают другие частицы — пи-мезоны. Распадаясь, они дают одновременно фотоны и нейтрино с энергиями выше 100 ТэВ. Для сравнения: на коллайдере в ЦЕРНе мы имеем дело с частицами энергией 10 ТэВ.

В БАКе на Земле разгоняются два потока частиц со встречным движением, которые ударяются друг в друга, рождая множество других частиц. В созвездии Лебедя очень сильно ускоренные протоны сталкиваются с покоящимися протонами. Однозначного указания на то, что такое в природе существует, раньше не было. И если одновременно регистрируемая вспышка гамма-излучения и нейтрино — не совпадение, если их испускает какой-то один источник, то это сочетание указывает нам на работу «ускорителя протонов» в космосе.

Откуда такая интерпретация? Нейтрино столь высоких энергий могут рождаться только во взаимодействиях релятивистских протонов — либо с веществом, либо с излучением. Одновременно с ними всегда рождаются фотоны того же диапазона энергий. Но от внегалактических источников до нас такие фотоны не долетают (из-за непрозрачности Вселенной). От галактических должны долетать.

Фотоны с энергией выше 100 ТэВ от источников в нашей Галактике начали регистрировать буквально год назад, это совершенно новый диапазон в астрономии. Например, недавний результат китайской коллаборации LHAASO (с участием группы Юрия Стенькина из ИЯИ РАН): ученые зарегистрировали частицы с самой высокой энергией — 1400 ТэВ — как раз от источника в созвездии Лебедя. В связи с этими результатами в научном сообществе заговорили о «галактических пэватронах» (1 ПэВ=1000 ТэВ) — природных ускорителях протонов экстремальных энергий, источниках космических лучей в нашей Галактике. Но фотоны даже таких энергий могут излучаться в разных процессах, а вот одновременное наблюдение нейтрино указывает именно на наличие ускоренных протонов: никак по-другому нейтрино не получишь. Поэтому это первое наблюдение фотонов таких энергий одновременно с нейтрино очень важно.

К сожалению, объяснить, какой именно космический объект в созвездии Лебедя является природным ускорителем элементарных частиц, ученые пока не могут. Интересных источников в пределах погрешностей направления несколько. Возможно, источником нейтрино является так называемый Кокон Лебедя — область, в которой рождаются и взрываются молодые звезды. Но кроме него там же находится гамма-яркий микроквазар CygnusX-3 и релятивистская двойная система PSR J2032+4127, тоже дающая яркое излучение в гамма-диапазоне.

В этом месте, в созвездии Лебедя, откуда пришла эта зарегистрированная вспышка фотонов и нейтрино, проходит Млечный Путь. Так что это место вообще очень яркое как с точки зрения гамма-излучения (если посмотреть в гамма-телескоп), так и обычного, наблюдаемого глазом (фотоны). И мощностей современных телескопов не хватает, чтобы понять, откуда точно пришли эти нейтрино и фотоны.

Кокон в созвездии Лебедя очень популярен среди ученых в последние годы. Именно с этого направления был зарегистрирован фотон с максимальной энергией — 1400 ТэВ. Но прямо рядом с Коконом расположен микроквазар CygnusX-3, так что непонятно, что из них является источником вспышки. Кокон — место, где молодые звезды рождаются, взрываются, от каждого такого взрыва распространяется ударная волна. В области столкновения этих волн особенно эффективно ускоряются протоны. А поток нейтрино и фотонов из одной точки на небе никак по-другому не объяснить, нежели чем ускоренными протонами. Ученые надеются продолжить исследование «космического адронного коллайдера» и раскрыть новые тайны Вселенной.

Исследование профинансировано как часть крупного научного проекта Минобрнауки России «Нейтрино и астрофизика частиц».

Полина Юдина