Чи можуть чорні дірки допомогти пояснити походження високоенергетичного космічного випромінювання?
Всесвіт наповнений багатьма формами випромінювання та частинок, які можна виявити тут, на Землі. Серед них – фотони, які охоплюють весь електромагнітний спектр, від найнижчих радіохвильів до найбільш енергійних гамма -променів. Інші приклади включають невловимі нейтрино та космічні промені, обидва з яких подорожують по простору майже зі швидкістю світла.
Цікаво, що, незважаючи на їх ім’я, “космічні промені” зовсім не промені. Термін, що застряг з історичних причин, але насправді вони є крихітними частинками, головним чином атомними ядрами, які були приведені до надзвичайних енергій десь у космосі. Вчені давно підозрюють, що ці частинки походять у деяких найвищих умовах Всесвіту, включаючи чорні дірки, вибухові зірки або спінінг нейтронних зірок (тип мертвої зірки).
Однак кожні так часто виявляються космічні промені з набагато більшою енергією, ніж зазвичай. Ці частинки над високою енергією спантеличили дослідників, оскільки вони вперше були ідентифіковані в 1962 році, і їх походження залишається загадкою.
Команда з Норвезького університету наук і технологій (NTNU) тепер може бути ближче до вирішення цієї стійкої головоломки у фізиці.
Супермасивні чорні дірки можуть бути причиною
Фотеїні Ойконоу, доцент кафедри фізики NTNU, працює над справою. У недавній статті вона та її колеги представляють абсолютно нове і правдоподібне пояснення цього ультра-енергетичного випромінювання.
Головний автор – науковий співробітник докторантури Доменік Елерт з того ж відділу. Команда також включає докторантуру Енріко Перетті з Université Paris Cité. Їх робота зосереджена на фізиці астрочастинок, яка вивчає взаємозв’язок між найменшими частинками у Всесвіті та найбільшими явищами Всесвіту.
“Ми підозрюємо, що це високоенергетичне випромінювання створюється вітрами з надмасивних чорних дірок”,-сказав Ойконоу.
Але що на землі це означає?
Активні чорні дірки створюють вітер
З Чумацький Шлях це сусідство у Всесвіті, де ми з вами живемо. Наша Сонце та Сонячна система є частиною цієї галактики, а також щонайменше 100 мільярдів інших зірок.
“Є чорна діра називається Стрілець-а*, розташована прямо в центрі Чумацького Шляху. Наразі ця чорна діра знаходиться в тихій фазі, де вона не споживає жодних зірок, оскільки в околицях недостатньо матерії », – сказав Перетті.
Це контрастує з зростаючими, надмасивними, активними чорними дірками, які споживають до декількох разів більше маси нашого власного сонця щороку.
“Крихітна частина матеріалу може бути відштовхнута силою чорної діри, перш ніж він буде витягнутий.
Ми знаємо про ці гігантські вітри вже приблизно десять років. Вітри з цих чорних отворів можуть впливати на галактики. Наприклад, видуваючи гази, вони можуть запобігти формуванню нових зірок. Це досить драматично сам по собі, але Ойконому та її колеги подивилися на щось інше, набагато менше, що ці вітри можуть бути причиною “.
Можливо, що ці потужні вітри прискорюють частинки, що створюють ультра-енергетичне випромінювання »,-сказав Елерт.
Щоб зрозуміти це, нам також потрібно трохи пояснити атоми.
Атоми та величезна кількість енергії
Атоми складаються з ядра, яке складається з протонів та нейтронів. Ці частинки складаються з кварків, але нам зараз не потрібно вступати в це.
Один або кілька електронів можна знайти навколо цього ядра в так званій хмарі.
“Ультра-високоенергетичне випромінювання складається з протонів або атомних ядер з енергією до 1020 електронних вольт”,-пояснив Ойконом.
Якщо це число нічого не означає для вас, ви повинні знати, що в цьому контексті це абсолютно величезна кількість енергії.
“Така частинка, яка менша за атоммістить приблизно стільки енергії, як тенісний м’яч, коли Серена Вільямс служить йому на 200 кілометрів на годину », – сказала Ойконоу.
Це відповідає приблизно в мільярд разів більше енергії, ніж частинки, створені дослідниками у великому адронному колайдері в Швейцарії та Франції.
На щастя, ці космічні промені руйнуються атмосферою Землі. Коли вони досягають рівня землі, вони настільки ж нешкідливі, як і всі інші космічні випромінювання, що досягає нас на земній поверхні.
“Але для космонавтів космічне випромінювання – це дуже серйозна проблема”, – сказав Ойкону.
Екіпажам авіакомпаній не потрібно турбуватися про це, оскільки вони не летять досить високо.
“Основна турбота про космонавтів-космічне низькоенергетичне випромінювання, вироблене нашим власним сонцем, оскільки воно набагато частіше.
Інші підозрювані
Раніше дослідники розглядали, чи походять ці високоенергетичні частинки від гамма-променів, з галактик, які створюють нові зірки з надзвичайно високою швидкістю, або з плазма відтоки з надмасивних чорних дірок.
Однак Ойконоу та її колеги мають ще одну гіпотезу.
“Усі інші гіпотези – це дуже хороші здогадки – всі вони є джерелами, які містять багато енергії. Але ніхто не надав доказів того, що будь -який з них є джерелом. Ось чому ми вирішили дослідити вітри з надмасивних чорних дірок”, – сказав Елерт.
Винні? Можливо
То що ми насправді знаємо? Це вітри, які створюють високоенергетичні частинки в космічному випромінюванні?
“Наша відповідь – це більше обережна”, можливо “, – сказав Ойконом.
Це не звучить особливо драматично. Однак, коли дослідники задають подібні питання, вони часто відчувають відчуття хвилювання і думають: “Так, це може бути просто так!”, Але це не означає, що це в цьому випадку.
“Ми виявляємо, що умови, пов’язані з цими вітрами, особливо добре узгоджуються з прискоренням частинок. Але ми все ще не в змозі довести, що саме ці вітри прискорюють частинки за космічним випромінюванням високої енергії”,-сказав Ойконому.
Однак модель, яку використовують дослідники, може пояснити один конкретний аспект цих частинок, які ми досі не розуміємо. У певному енергетичному діапазоні частинки мають хімічний склад, який інші моделі не можуть пояснити жодним чином.
“Ми також можемо перевірити модель за допомогою експериментів з нейтрино”, – сказав Ойконоу.
Однак це щось для зовсім іншої статті.
“У наступні роки ми сподіваємось співпрацювати з астрономами нейтрино для перевірки нашої гіпотези”, – сказав Ойконому. Можливо, вони знайдуть більше доказів, так чи інакше.
Довідка: «Космічні промені ультрасвисокої енергії з ультрашвидких відтоків активних галактичних ядер» від Доменіка Елерта, Фотеїні Оіконому та Енріко Перетті, 19 березня 2025, Щомісячні повідомлення про Королівське астрономічне товариство.
Doi: 10.1093/mnras/staf457
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня ScitechDaily.
Слідкуйте за нами в Google та Google News.
