Новий екстремальний прискорювач частинок, живлений пульсаром PSR J1849−0001

Небулиці вітру пульсарів представляють собою бульбашки релятивістських частинок, які живляться втратою ротаційної енергії пульсарів. Нещодавно обсерваторія LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) виявила, що Небулиця Крабів, живлена найбільш енергетичним пульсаром Чумацького Шляху, є джерелом гамма-випромінювання на рівні ПеВ (10^15 еВ), підтверджуючи її роль як екстремального прискорювача частинок. Астрономи з команди LHAASO представили нове джерело гамма-випромінювання з ультра-високою енергією (E>100 ТеВ), яке чітко асоціюється з небулицею вітру пульсара, живленою PSR J1849-0001, пульсаром, чия потужність сповільнення в 50 разів менша, ніж у пульсара Крабів. Результати їх дослідження опубліковані в Nature Astronomy.

У спектрі енергій космічних променів, виміряних на Землі, існує так званий "коліно": перелом на рівні 3 ПеВ, який зазвичай інтерпретується як межа прискорення протонів звичайними галактичними джерелами, тоді як екстрагалактичні прискорювачі домінують лише за межами ще одного перелому, званого "чобітком". Питання про існування галактичних джерел, здатних досягати енергій, значно вищих за ПеВ, залишається відкритим. Виявлення гамма-фотонів на рівні ПеВ, які утворюються електронами з кількох ПеВ або протонами з десятків ПеВ, є прямим показником таких екстремальних прискорювальних можливостей.

Небулиця Крабів, виявлена як гамма-джерело до 1,1 ПеВ за даними LHAASO, продемонструвала, що небулиці вітру пульсарів можуть бути надзвичайно ефективними прискорювачами частинок. Проте, незважаючи на вже близьку до теоретичних меж ефективність прискорення, яскравість Крабів сама по собі недостатня для пояснення потоку космічних променів, що перевищують коліно.

Дійсно, втрата енергії електронів через синхротронне випромінювання накладає верхню межу на максимальну енергію електронів, яка залежить від квадратного кореня ефективності і варіює як обернена величина квадратного кореня магнітного поля. Щоб подолати інтенсивне магнітне поле 100 μG у небулиці Крабів, ефективність прискорення повинна досягати принаймні 16% від теоретичної межі, щоб пояснити спостереження. Яким би не був конкретний механізм прискорення частинок, з такою ефективністю прискорення протони можуть бути прискорені до масштабу 10 ПеВ без втрат радіації, на відміну від електронів, за умови, що вони потраплять у зону прискорення частинок. Проте, навіть якщо небулиця Крабів функціонує як надзвичайно ефективний прискорювач протонів, її яскравість у протонах енергією на рівні ПеВ, яка виводиться, недостатня для пояснення потоку космічних променів, виміряного за межами чобітка. Більше того, її центральний пульсар має екстремальні властивості, які важко узагальнити: йому менше 1000 років, і він має найвищу потужність сповільнення серед усіх виявлених пульсарів у нашій галактиці (4,5×10^38 ерг·с^-1).

Питання про те, чи можуть інші небулиці вітру пульсарів, менш енергетичні, також виробляти частинки понад ПеВ, стало надзвичайно актуальним. Це завдання стало метою астрономів-частинників з команди LHAASO.

PSR J1849−0001 є молодим і швидким пульсаром (період обертання 38,5 мс), розташованим приблизно на відстані 7 кпк. Його потужність сповільнення приблизно в 50 разів менша, ніж у пульсара Крабів, і він оточений небулицею вітру пульсара, виявленою в рентгенівських та гамма-променях. Послідовні спостереження HESS, ASγ та LHAASO показали, що його гамма-спектр розширюється до кількох сотень ТеВ, включаючи виявлення фотона з енергією 2 ПеВ. Ймовірність того, що це явище викликане дифузним гамма-фоном, є незначною, що вказує на наявність надійного астрофізичного походження. Потік фотонів на рівні ПеВ є порівнянним, а навіть перевищує той, що вимірюється в небулиці Крабів, після корекції по відстані.

Астрономи-частинники показали, що виміряний гамма-спектр розширюється до ПеВ за допомогою розподілу за степенем, при цьому яскравість є кілька разів більшою, ніж у небулиці Крабів. Комбіновані спостереження в рентгенівських променях обмежують середнє магнітне поле всередині небулиці приблизно до 3 μG (тому значно нижче, ніж у Крабів), але вони виявляють екстремальну ефективність прискорення частинок, близьку або навіть вищу за одиницю.

Цей результат ставить під сумнів теорію прискорення частинок у небулицях вітру пульсарів і передбачає неідеальні магніто-гідродинамічні умови всередині прискорювача. Вони можуть включати, зокрема, магнітну реконекцію на передньому краї ударної хвилі.

Випромінювання фотона гамма з енергією 2 ПеВ через зворотне Комптоновське розсіяння вимагає, щоб електрони спочатку були прискорені до енергій, щонайменше порівнянних. Ця вимога накладає суворі обмеження на ефективність прискорення: вона повинна одночасно перевищувати радіаційні втрати типу синхротрон і обмеження, накладені на потужність сповільнення пульсара (його магнітне поле).

На думку дослідників, якщо прискорення відбувається на рівні ударної хвилі, спостереження вказують на дуже низький коефіцієнт магнітного енергообміну, що вказує на значно вищу ефективність прискорення, ніж очікувалося в рамках ідеальної магніто-гідродинаміки. Така умова важко сумісна з механізмами прискорення типу Фермі першого порядку, але, згідно з дослідниками, її можна пояснити неідеальними процесами, такими як магнітна реконекція в порушеному вітрі пульсара.

Також обговорюються альтернативні сценарії, які розташовують зону прискорення вгору або вниз від ударної хвилі. Вони частково послаблюють обмеження, але все ще вимагають надзвичайно високих ефективностей.

Ці результати підкреслюють значну напругу між спостереженнями LHAASO та сучасними теоретичними моделями небулиць вітру пульсарів. Досягнення ефективностей прискорення на рівні одиниці, а навіть вищих, є серйозним викликом, навіть у рамках неідеальної магніто-гідродинаміки.

Небулиця вітру пульсара, асоційована з PSR J1849−0001, представляє собою новий приклад галактичного джерела, здатного прискорювати електрони до енергій ПеВ. Це відкриття свідчить про те, що екстремальні умови прискорення можуть бути відносно поширеними в молодих небулицях вітру пульсарів, і вони можуть значно сприяти популяції галактичних прискорювачів космічних променів типу ПеВатрів, за умови ефективного завантаження протонами.

Пошуки космічних прискорювачів тривають...