Учёные заметили в небе странный сигнал — он идёт от чёрных дыр, но рушит все законы физики

На протяжении десятилетий астрофизики сталкивались с парадоксом: в спектре космических лучей при энергии около трёх петаэлектронвольт наблюдается резкое падение интенсивности. Это "колено" — одно из самых загадочных явлений в физике высоких энергий. Сверхновые, долго считавшиеся естественными ускорителями частиц, не могли объяснить этот скачок.

Новые наблюдения китайской обсерватории LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) заставили пересмотреть всю картину. Исследования показывают, что микроквазары — компактные двойные системы с чёрной дырой — могут быть источником этих предельно энергичных протонов.

Ускорители нового типа

В традиционной модели именно остатки сверхновых обеспечивали космические лучи энергией до "колена". Но LHAASO зафиксировала гамма-излучение от пяти микроквазаров — SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 и Cygnus X-1.

Каждая из этих систем состоит из чёрной дыры и звезды-компаньона, между которыми идёт переток вещества. Потоки плазмы — релятивистские джеты — выбрасываются со скоростью, близкой к световой.

Почему это важно? Потому что энергия частиц, ускоряемых в таких джетах, достигает петаэлектронвольтов, что ранее считалось невозможным в границах Млечного Пути. Это меняет само понимание структуры галактических ускорителей и объясняет, почему сверхновые "не дотягивают" до наблюдаемых энергий.

Случай SS 433 оказался особенно показательным. Гамма-излучение совпало с положением массивного облака атомного водорода. Это значит, что протоны, ускоренные чёрной дырой, сталкиваются с атомами газа, создавая всплеск фотонов.

Энергия частиц превышает один петаэлектронвольт. Подобный процесс фиксируется и у V4641 Sgr, где излучение близко к 0,8 ПэВ, а значит, первичные протоны разгоняются выше 10 ПэВ.

Что изменилось по сравнению с ранними теориями? Раньше считалось, что сверхновые способны разгонять частицы максимум до нескольких сотен тераэлектронвольт. Новые измерения раздвигают эти границы, превращая микроквазары в ключевых кандидатов для объяснения верхней части спектра космических лучей.

Как измерить невидимое

Точная регистрация протонного спектра в диапазоне "колена" долго оставалась нерешённой задачей. Детекторы на орбитах улавливают лишь ограниченный поток частиц, а наземные установки страдают от искажений: атмосфера производит вторичные каскады, смешивая протоны с тяжёлыми ядрами.

Команда LHAASO применила многопараметрическую систему отбора событий — сочетание временного, энергетического и углового анализа, что позволило выделить "чистые" протоны. Полученные данные впервые обеспечили достоверное измерение спектра именно в критической области около трёх петаэлектронвольт.

"Мы впервые видим структуру "колена” не как математический излом, а как физический след работы разных ускорителей", — отметил представитель исследовательской группы Института физики высоких энергий Китайской академии наук.

Результаты показали, что спектр не подчиняется одной степени энергии. После "колена" появляется новый компонент, указывающий на присутствие дополнительного механизма ускорения. По сути, "колено" — не граница, а стык вкладов от разных типов источников.

Как действовали учёные

1. Собрали статистику взаимодействий частиц с атмосферой на высоте 4410 м в провинции Сычуань.
2. Сравнили результаты с моделями, построенными по данным спутниковых миссий AMS-02 и DAMPE.
3. Идентифицировали отклонения, совпадающие с направлением микроквазаров.

Таким образом, впервые получено согласие между данными космических и наземных экспериментов в диапазоне ПэВ-энергий.

Сравнение галактических ускорителей

Ранее считалось, что все источники космических лучей следуют единому механизму ускорения — ударным волнам от сверхновых. Теперь очевидно, что этот подход упрощён.

В чём отличие микроквазара от сверхновой? Сверхновая действует один раз — взрыв и расширяющаяся оболочка. Микроквазар — постоянный двигатель, работающий годами. Его джеты стабильно питаются веществом звезды-спутника, формируя длительные каналы ускорения.

Такая устойчивость даёт микроквазарам преимущество в накоплении энергии частиц. Если сверхновая создаёт короткий импульс ускорения, то чёрная дыра обеспечивает непрерывное "раскачивание" протонов. Результат — достижение энергий, невозможных в остальной галактике.

Что если источник не один? Тогда наблюдаемый спектр должен быть суперпозицией нескольких популяций частиц, каждая из которых формируется своим механизмом. Это как наложение голосов: каждый слышен, но вместе они создают новый тон. Именно так выглядит структура космических лучей после анализа LHAASO.

Ошибка старой модели заключалась в стремлении найти единственный универсальный ускоритель. Последствие — десятилетия поисков "сверхновой-виновницы". Альтернатива, показанная нынешними наблюдениями, предполагает сеть источников — от остатков взрывов до микроквазаров и, возможно, пульсарных ветров.

Энергетическое "колено" как след галактической архитектуры

Сопоставление с данными AMS-02 (низкие энергии) и DAMPE (средние энергии) позволило построить полную кривую. В ней "колено" не выглядит обрывом, скорее, это граница, где господство сверхновых уступает место чёрным дырам.

Какие выводы следуют? Во-первых, в галактике существует иерархия ускорителей. Во-вторых, микроквазары способны создавать поток частиц, который формирует верхнюю часть спектра. В-третьих, наблюдаемые гамма-всплески напрямую подтверждают взаимодействие ускоренных протонов с межзвёздным веществом.

Для астрофизики это переломный момент: впервые структура спектра космических лучей связана с конкретным типом источников. Модель становится наблюдаемой, а не теоретической.

Чем это грозит прежним теориям? Они теряют универсальность. Вместо единого механизма приходится принимать множество процессов, где роль сверхновых ограничивается нижней энергетической областью. В перспективе это меняет оценки вклада разных объектов в химический состав космических лучей и даже понимание баланса энергии в Галактике.

Новая роль LHAASO

Комплекс LHAASO, расположенный на высоте более четырёх километров, сочетает черенковские детекторы, мюонные счётчики и телескопы широкого поля зрения. Такое гибридное устройство позволяет наблюдать как фотоны экстремальных энергий, так и каскады вторичных частиц, достигающих поверхности Земли.

Преимущество установки — одновременное измерение разных параметров: времени прихода, угла, состава. Это позволяет фильтровать события и строить чистые выборки.

Благодаря этой технологии исследователи впервые увидели связь между источником гамма-излучения и потоком частиц, приходящих на Землю. До этого данные о космических лучах и гамма-фотонах рассматривались отдельно, что мешало сопоставить физику ускорителей с результатами наблюдений.

Какие шаги последуют дальше

• Расширение каталога микроквазаров, доступных для наблюдений.
• Синхронизация данных LHAASO с другими обсерваториями, включая CTA и HAWC.
• Создание объединённой модели распределения ускорителей по Галактике.

Эти направления помогут определить, какие именно объекты создают поток частиц, достигающих Земли, и как распределена их мощность.

Пересборка картины Вселенной

Связь между чёрными дырами и происхождением космических лучей меняет представление о динамике Млечного Пути. Теперь он видится не как фон для редких взрывов, а как сеть активных микромашин, постоянно производящих частицы с чудовищной энергией.

Что, если такие процессы характерны и для других галактик? Тогда наблюдаемый фон высокоэнергетического излучения во Вселенной может в значительной степени формироваться микроквазарами. Это объясняет различия между данными гамма-телескопов и расчётами, основанными только на сверхновых.

Понимание природы "колена" — не локальное достижение, а ключ к космической энергетике. Если микроквазары действительно доминируют в области ПэВ-частиц, то именно они могут определять границы распространения лучей и влиять на распределение магнитных полей в галактике.

Впервые после десятилетий споров открывается перспектива построить полную карту астрофизических ускорителей.