Ускорение космических частиц достигло теоретического предела

Наблюдения, сделанные с помощью гамма-обсерватории H.E.S.S. в Намибии впервые показывают ход процесса ускорения в звездном процессе, называемом новой звездой, который состоит из мощных извержений на поверхности белого карлика. Новая создает ударную волну, которая прорывает окружающую среду, увлекая за собой частицы и разгоняя их до экстремальных энергий. Удивительно, но новая «RS Ophiuchi» заставляет частицы ускоряться со скоростей, достигающими теоретического предела, соответствующего идеальным условиям.

Белые карлики — это сгоревшие старые звезды, которые схлопнулись и превратились в чрезвычайно компактные объекты. Новые события происходят, например, когда белый карлик находится в двойной системе с большой звездой, и белый карлик собирает материал от более массивного компаньона из-за гравитации. Как только собранный материал достигает критического уровня, он вызывает термоядерный взрыв на поверхности белого карлика. Известно, что некоторые новые звезды повторяются. RS Ophiuchi — одна из таких повторяющихся новых; каждые 15-20 лет на её поверхности происходит взрыв.

«Звезды, образующие систему, находятся примерно на таком же расстоянии друг от друга, как Земля и Солнце», — объясняет Элисон Митчелл, исследователь из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге и главный исследователь программы HESS Nova. «Когда в августе 2021 года взорвалась новая звезда, телескопы HESS позволили впервые наблюдать галактический взрыв в гамма-излучении очень высокой энергии».

Исследовательская группа заметила, что частицы были ускорены до энергий в несколько сотен раз выше, чем ранее наблюдаемые в новых. Кроме того, выделяющаяся в результате взрыва энергия чрезвычайно эффективно преобразовывалась в ускоренные протоны и тяжелые ядра, так что ускорение частиц достигало максимальных скоростей, рассчитанных в теоретических моделях. По словам Руслана Конно, одного из ведущих авторов исследования и докторанта DESY в Цойтене: «Наблюдение, что теоретический предел ускорения частиц действительно может быть достигнут в настоящих космических ударных волнах, имеет огромное значение для астрофизики. Это предполагает, что процесс ускорения может быть таким же эффективным в сверхновых».

Во время извержения RS Ophiuchi исследователи впервые смогли проследить за развитием новой звезды в режиме реального времени, что позволило им наблюдать и изучать ускорение космических частиц, как если бы они смотрели фильм. Исследователи смогли измерить высокоэнергетическое гамма-излучение в течение месяца после взрыва. «Впервые мы можем проводить подобные наблюдения, и это позволит в будущем получить еще более точное представление о том, как устроены космические взрывы», — объясняет Дмитрий Хангулян, астрофизик-теоретик из Университета Риккё в Токио, Япония. «Мы можем, например, обнаружить, что новые звезды вносят свой вклад в вездесущее море космических лучей и, следовательно, оказывают значительное влияние на динамику непосредственного окружения». Космические лучи — это огромные потоки энергичных субатомных частиц, которые приходят одновременно со всех направлений в пространстве и имеют неясное точное происхождение.

Для этих измерений требовались специальные телескопы. H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) в Намибии состоит из 5 черенковских телескопов, которые используются для исследования гамма-излучения из космоса. Недавно в самом большом телескопе была установлена ??новая высокочувствительная современная камера FlashCam. Конструкция FlashCam в настоящее время дорабатывается для гамма-обсерватории следующего поколения, массива черенковских телескопов (CTA). «Новая камера используется с конца 2019 года, и это измерение показывает, насколько велик потенциал камер последнего поколения», — объясняет Саймон Штайнмассл, докторант Института ядерной физики им. Макса Планка, принимавший участие в анализе данных камеры.

Телескопы были направлены на новую звезду в очень короткие сроки после того, как астрономы-любители впервые сообщили о новой сообществу астрофизиков. Успех наблюдения в немалой степени был обусловлен быстрой реакцией исследователей и более широкого астрономического сообщества, что подготовило почву для обширных последующих наблюдений. Директор H.E.S.S Стефан Вагнер, профессор региональной обсерватории в Гейдельберге, объясняет: «В течение следующих нескольких лет исследования с использованием телескопов CTA покажут, является ли этот тип новой звезды особенным». Кроме того, у исследователей теперь есть более четкое представление о том, что искать. Это дает ряд новых возможностей для лучшего понимания и способности лучше объяснять события, связанные с новыми звездами. «Это измерение является еще одним успехом в гамма-астрономии и обнадеживающим признаком того, что мы сможем изучать гораздо больше космических взрывов с помощью HESS и гамма-телескопов будущего».