Пулсарите могат да захранват космическите лъчи с най-високите известни енергии във Вселената


Ветровитите и хаотични останки около наскоро експлодирали звезди може да изстрелват най-бързите частици във Вселената.

Силно магнитните неутронни звезди, известни като пулсари, предизвикват бърз и силен магнитен вятър. Когато заредени частици, по-специално електрони, се хванат в тези турбулентни условия, те могат да бъдат повишени до екстремни енергиисъобщават астрофизиците на 28 април в Astrophysical Journal Letters. Нещо повече, тези бързи електрони могат след това да продължат да увеличат малко околна светлина до еднакво екстремни енергии, вероятно създавайки много високоенергийните гама-лъчи фотони, които накараха астрономите да открият тези изстрелващи частици на първо място.

„Това е първата стъпка в изследването на връзката между пулсарите и ултрависокоенергийните емисии“, казва астрофизик Ке Фанг от Университета на Уисконсин, Медисън, който не е участвал в тази нова работа.

Миналата година изследователи от Голямата обсерватория за въздушен душ на голяма височина, или LHAASO, в Китай обявиха откритието на гама лъчи с най-висока енергия, откривани някогадо 1,4 квадрилиона електрон волта (SN: 2/2/21). Това е приблизително 100 пъти по-енергично от най-високите енергии, постижими с най-добрия в света ускорител на частици, Големия адронен колайдер близо до Женева. Идентифицирането на това, което причинява тези и други изключително високоенергийни гама лъчи, би могло да насочи буквално към местоположенията на космическите лъчи – бързите протони, по-тежките атомни ядра и електроните, които бомбардират Земята от места извън нашата слънчева система.

Смята се, че някои гама лъчи произхождат от същата среда като космическите лъчи. Един от начините, по които се произвеждат, е, че космическите лъчи, малко след като бъдат изстреляни, могат да се ударят в околни фотони с относително ниска енергия, като ги увеличат до високоенергийни гама лъчи. Но електрически заредените космически лъчи се удрят от галактически магнитни полета, което означава, че те не се движат по права линия, като по този начин усложняват усилията за проследяване на бързите частици обратно до техния източник. Гама лъчите обаче са непроницаеми за магнитни полета, така че астрофизиците могат да проследят непоклатимите си пътища обратно към произхода им – и да разберат къде се създават космическите лъчи.

За тази цел екипът на LHAASO проследи стотиците гама-лъчи фотони, които откри до 12 точки на небето. Докато екипът идентифицира едно място като Ракова мъглявинаостатъкът от свръхнова на около 6500 светлинни години от Земята, изследователите предполагат, че останалите могат да бъдат свързани с други места на звездни експлозии или дори млади масивни звездни купове (SN: 24.06.19).

В новото изследване астрофизичката Ема де Оня Вилхелми и колегите му нулират в една от тези възможни точки на произход: мъглявини от вятъра на пулсарите, облаците на турбулентност и заредените частици, заобикалящи пулсар. Изследователите не бяха убедени, че подобни локали могат да създадат толкова високоенергийни частици и светлина, така че се заеха да покажат чрез изчисления, че мъглявините на пулсарния вятър не са източници на екстремни гама лъчи. „Но за наша изненада видяхме, че при много екстремни условия можете да обясните всички източници [that LHAASO saw]“, казва де Она Вилхелми от немския електронен синхротрон в Хамбург.

Младите пулсари в сърцето на тези мъглявини – на не повече от 200 000 години – могат да осигурят цялата тази сила поради своите свръхсилни магнитни полета, които създават турбулентен магнитен балон, наречен магнитосфера.

Всички заредени частици, движещи се в интензивно магнитно поле, се ускоряват, казва де Она Вилхелми. Ето как се Големият адронен колайдер усилва частиците до екстремни енергии (SN: 22.04.22 г). Ускорител, задвижван от пулсар, обаче може да засили частиците до още по-високи енергии, изчислява екипът. Това е така, защото електроните излизат от магнитосферата на пулсара и се срещат нагоре с материала и магнитни полета от звездната експлозия, създала пулсара. Тези магнитни полета могат допълнително да ускорят електроните до още по-високи енергии, открива екипът и ако тези електрони се ударят в околните фотони, те могат да увеличат тези частици светлина до свръхвисоки енергии, превръщайки ги в гама лъчи.

„Пулсарите определено са много мощни ускорители“, казва Фанг, с „няколко места, където може да се случи ускорение на частиците“.

И това може да доведе до малко объркване. Гама-лъчевите телескопи имат доста размито зрение. Например LHASSO може да различи детайли само толкова малки, колкото около половината от размера на пълната луна. Така че източниците на гама лъчи, които телескопът е открил, изглеждат като петна или мехурчета, казва де Оня Вилхелми. В тези петна може да има множество източници на енергия, които не са разрешени за настоящите обсерватории.

„С по-добра ъглова разделителна способност и по-добра чувствителност би трябвало да можем да идентифицираме какво [and] където е ускорителят”, казва тя. Няколко бъдещи обсерватории – като например Черенков телескопна решетка и на Южна широкообхватна гама-обсерватория – може да помогне, но те са от няколко години.