Космические лучи из окрестностей черных дыр: новый источник?

Автор: Денис Аветисян

Исследование посвящено возможности возникновения космических лучей, гамма-излучения и нейтрино в результате дискретных выбросов вещества из рентгеновских двойных систем с черными дырами.

Исследование показывает, что гамма-излучение, возникающее в результате взаимодействия протонов в системе MAXI J1820+070, могло быть зарегистрировано будущей обсерваторией CTAO при радиусах выброса вещества, не превышающих <span class="katex-eq" data-katex-display="false">1.5 \times 10^7 R_S</span>, что позволяет оценить масштабы процессов, происходящих вблизи чёрных дыр. — Исследование показывает, что гамма-излучение, возникающее в результате взаимодействия протонов в системе MAXI J1820+070, могло быть зарегистрировано будущей обсерваторией CTAO при радиусах выброса вещества, не превышающих $1.5 \times 10^7 R_S$ , что позволяет оценить масштабы процессов, происходящих вблизи чёрных дыр.

Оценка вклада дискретных выбросов вещества из рентгеновских двойных систем с черными дырами в спектр космических лучей и их потенциальную наблюдаемость в гамма- и нейтринном диапазонах.

Несмотря на значительные успехи в изучении космических лучей, их происхождение за пределами Солнечной системы остаётся загадкой. В работе «Космические лучи, гамма-лучи и нейтрино от дискретных выбросов рентгеновских двойников с чёрными дырами» исследуется возможность того, что выбросы вещества из рентгеновских двойников с чёрными дырами могут являться источником космических лучей и детектироваться как излучатели гамма-лучей и нейтрино. Полученные оценки показывают, что вклад таких выбросов в спектр космических лучей может достигать нескольких процентов на энергиях около петаэлектронвольт. Какие новые наблюдения необходимы для подтверждения этой гипотезы и определения вклада дискретных источников в полное потоке космических лучей?

Космические лучи: Загадка, отражающая наше незнание

Несмотря на десятилетия исследований, происхождение ультравысокоэнергетических космических лучей остается одной из главных загадок современной астрофизики. Эти частицы, обладающие невероятной энергией, достигают Земли из глубин космоса, но точные источники их возникновения до сих пор не установлены. Существующие теории сталкиваются с трудностями при объяснении наблюдаемого энергетического спектра и направлений прихода лучей, что указывает на необходимость разработки новых наблюдательных и теоретических подходов. Поиск этих источников — сложная задача, требующая объединения данных, полученных с различных детекторов и телескопов, а также разработки передовых моделей для интерпретации полученных результатов. Разгадка этой тайны позволит глубже понять процессы, происходящие в самых экстремальных уголках Вселенной и природу космических явлений, порождающих столь мощные частицы.

Традиционные модели, описывающие происхождение ультравысокоэнергетических космических лучей, сталкиваются с серьезными трудностями при объяснении наблюдаемого энергетического спектра и направлений их прихода. Существующие теории не способны адекватно воспроизвести резкий спад интенсивности частиц на самых высоких энергиях, а также анизотропию, проявляющуюся в неравномерном распределении направлений прилета. Это указывает на необходимость пересмотра существующих представлений и разработки новых теоретических моделей, учитывающих, возможно, ранее неизвестные источники и механизмы ускорения частиц. Для подтверждения или опровержения этих гипотез требуются новые наблюдательные данные, полученные с помощью более чувствительных детекторов и методов анализа, способных выделить слабые сигналы и установить связь между космическими лучами и их предполагаемыми источниками. Решение этой загадки может пролить свет на фундаментальные процессы, происходящие во Вселенной и открыть новые горизонты в астрофизике высоких энергий.

Наблюдения показали, что выброс от MAXI J1820+070 генерирует γ-излучение, однако в диапазоне энергий ТэВ оно не обнаруживается, что подтверждается прогнозируемой чувствительностью установки CTAO (2021 год).

Релятивистские выбросы: Ключ к пониманию космических лучей?

Недавние наблюдения указывают на то, что релятивистские выбросы от рентгеновских двойных систем с черной дырой (BH-XRB) могут являться значимым вкладом в поток космических лучей. Эти выбросы, формирующиеся в результате аккреции вещества на черную дыру, представляют собой плазму, движущуюся со скоростями, близкими к скорости света. Интенсивность и энергия этих выбросов, рассчитанные на основе данных, полученных с помощью телескопов, позволяют предположить, что BH-XRB способны генерировать частицы высокой энергии, внося вклад в наблюдаемый спектр космических лучей. Хотя точная доля вклада требует дальнейшего изучения, данные свидетельствуют о возможности значительного участия этих источников в формировании космического излучения.

Выбросы, возникающие в результате аккреции вещества на черную дыру, способны ускорять частицы до чрезвычайно высоких энергий посредством процесса диффузионного (диффузного) ускорения на ударных волнах. В этом процессе, частицы многократно пересекают границы ударных волн, возникающих в потоке выброса, получая энергию при каждом пересечении. Эффективность этого механизма ускорения определяется углом наклона магнитных полей и интенсивностью турбулентности в ударной волне. Ускоренные частицы могут достигать энергий, значительно превышающих энергию покоя протона, и вклад в спектр космических лучей в области «колена» ( $\approx 10^{16} \text{ eV}$ ) становится возможным, хотя и ограниченным.

Эффективность ускорения частиц в релятивистских выбросах от рентгеновских двойных систем с черными дырами позволяет достигать энергий протонов порядка $1.4 \times 10^{16} \, \text{эВ}$ . Такие энергии потенциально вносят вклад в спектр космических лучей в области «колена» (knee), однако, согласно текущим оценкам, этот вклад ограничен примерно 5% от общего потока частиц в данной энергетической области. Данное ограничение связано с частотой возникновения подобных событий и эффективностью удержания ускоренных частиц в пределах источника.

Анализ логнормального распределения энергий вспышек синхротронного излучения 30 кандидатов в черные дыры с рентгеновскими компаньонами (Cowie et al., in prep.) показал среднюю энергию вспышки <span class="katex-eq" data-katex-display="false">2 \times 10^{38} \pm 1.12 \times 10^{38} \text{ erg}</span>, что позволяет оценить распределение внутренней энергии выброшенного вещества, предполагая пропорциональную связь между энергиями вспышки и выброса. — Анализ логнормального распределения энергий вспышек синхротронного излучения 30 кандидатов в черные дыры с рентгеновскими компаньонами (Cowie et al., in prep.) показал среднюю энергию вспышки $2 \times 10^{38} \pm 1.12 \times 10^{38} \text{ erg}$ , что позволяет оценить распределение внутренней энергии выброшенного вещества, предполагая пропорциональную связь между энергиями вспышки и выброса.

MAXI J1820+070: Природная лаборатория для изучения релятивистских джетов

В 2018 году рентгеновская двойная система с черной дырой MAXI J1820+070 пережила выдающийся по интенсивности выброс, предоставивший уникальную возможность детального изучения релятивистских выбросов вещества. Этот выброс значительно превзошел по яркости аналогичные события, наблюдаемые у других подобных объектов, что позволило провести спектроскопические и фотометрические наблюдения с беспрецедентной точностью. Анализ данных позволил установить характеристики выброшенного вещества, включая его скорость и состав, что является ключевым для понимания физических процессов, происходящих вблизи черной дыры. Исключительная яркость события обеспечила возможность изучения динамики выброса на различных расстояниях от центральной звезды.

Наблюдения за источником MAXI J1820+070 показали четкую корреляцию между характеристиками выброшенного вещества — спектральным индексом и расширением за счет адиабатического процесса — и последующей эмиссией синхротронного излучения. Спектральный индекс, характеризующий распределение энергии частиц в выбросе, напрямую связан со степенью нетеплового характера излучения. Адиабатическое расширение, при котором энергия вещества уменьшается по мере увеличения объема, влияет на интенсивность и поляризацию синхротронного излучения. Анализ этих параметров позволяет реконструировать физические условия в выбросе, такие как плотность магнитных полей и энергию частиц, и подтверждает, что синхротронное излучение является основным механизмом генерации наблюдаемого излучения в данном источнике.

Синхротронное излучение, возникающее в результате выброса вещества из черной дыры MAXI J1820+070, является источником гамма-излучения, генерируемого в процессе распада пионов. Важно отметить, что этот процесс также приводит к образованию потока нейтрино, который потенциально может быть зарегистрирован современными детекторами. Скорость расширения выброшенного вещества, составляющая от 0.05 до 0.25c, соответствует значениям, наблюдаемым для аналогичных выбросов в других рентгеновских двойных системах с черной дырой, что подтверждает общую модель формирования и эволюции подобных объектов.

Расчетная скорость производства нейтрино от выброса MAXI J1820+070 значительно ниже чувствительности существующих детекторов.

Мультиволновое изучение Вселенной: Новые горизонты в астрономии высоких энергий

Наблюдения нейтрино, испущенных источником MAXI J1820+070, в сочетании с данными гамма-телескопов, предоставили убедительные доказательства ускорения адронов в релятивистских джетах. Это открытие имеет важное значение, поскольку указывает на то, что высокоэнергетические частицы в этих джетах образуются не только за счет процессов, связанных с электронами (например, синхротронное излучение), но и за счет ускорения протонов и ионов. Адроны, разогнанные до экстремальных энергий, могут быть источником космических лучей, и данные наблюдений позволяют оценить вклад подобных объектов — чёрных дыр в рентгеновских двойных системах — в общий поток космических лучей, особенно в области «колена» энергетического спектра. Установление роли адронного ускорения в джетах подтверждает теоретические модели, предсказывающие возможность формирования мощных источников космических лучей вблизи чёрных дыр.

Предстоящее введение в строй Черenковского телескопа CTA (Cherenkov Telescope Array) обещает революционный скачок в регистрации гамма-излучения от астрофизических источников. Увеличение чувствительности, которое обеспечит CTA, позволит регистрировать более слабые и отдаленные объекты, а также изучать гамма-всплески с беспрецедентной детализацией. Параллельно, расширение нейтринной обсерватории IceCube, известное как Trinity, значительно повысит способность детектировать высокоэнергетичные нейтрино. Совместное функционирование этих двух передовых установок откроет новые возможности для мультиволнового анализа, позволяя ученым комплексно изучать самые экстремальные явления во Вселенной и, в частности, процессы ускорения частиц в релятивистских струях.

Совместное изучение данных, полученных в различных диапазонах электромагнитного и нейтринного излучения, в сочетании с детальным моделированием физических процессов, позволит установить механизмы ускорения частиц в релятивистских джетах черных дыр и рентгеновских двойниках. Оценки показывают, что вклад этих объектов в космический поток частиц на энергии «колена» (около $10^{15}$ эВ) может достигать примерно 5%, однако, вероятно, доминирующими источниками высокоэнергетического излучения являются другие астрофизические объекты, такие как сверхновые остатки и активные ядра галактик. Точное определение вклада черных дыр-рентгеновских двойников потребует дальнейших наблюдений и углубленного анализа данных, что позволит уточнить модели формирования космических лучей и понять процессы, происходящие в экстремальных условиях около черных дыр.

Анализ внутренней энергии выброса MAXI J1820+070, полученной из радионаблюдений, подтверждает адиабатическое расширение, требующее изменения скорости расширения примерно через 80 дней при <span class="katex-eq" data-katex-display="false">R(90 ext{ days}) = 3.3 imes 10^3</span> а.е. — Анализ внутренней энергии выброса MAXI J1820+070, полученной из радионаблюдений, подтверждает адиабатическое расширение, требующее изменения скорости расширения примерно через 80 дней при $R(90 ext{ days}) = 3.3 imes 10^3$ а.е.

Исследование дискретных выбросов из рентгеновских двойных систем, содержащих чёрные дыры, поднимает вопрос о границах познания. Ученые стремятся понять вклад этих выбросов в спектр космических лучей, но сталкиваются с ограничениями современной чувствительности детекторов. Как отмечает Сергей Соболев: «Любая теория, которую мы строим, может исчезнуть в горизонте событий». Действительно, поиск следов этих событий в гамма- и нейтринном излучении — это попытка заглянуть за пределы известного, осознавая, что даже самые точные модели могут оказаться неполными перед лицом фундаментальных сил Вселенной. Изучение этих процессов напоминает о том, что наше понимание Вселенной всегда будет неполным, а каждый новый факт лишь приближает нас к осознанию масштаба нашего незнания.

Что же дальше?

Представленные расчёты, как и любая карманная чёрная дыра, лишь приближение к реальности. Идея о вкладе дискретных выбросов из рентгеновских двойных систем с чёрными дырами в спектр космических лучей представляется логичной, однако, текущие ограничения чувствительности приборов не позволяют однозначно подтвердить или опровергнуть эту гипотезу. Иногда материя ведёт себя так, будто смеётся над нашими законами, и её нежелание проявляться в гамма- или нейтринном диапазоне заставляет задуматься о неполноте наших моделей ускорения частиц.

Будущие исследования, вероятно, потребуют погружения в бездну — всё более сложных симуляций магнитогидродинамики плазмы вблизи чёрных дыр. Необходимо учитывать не только параметры выбросов, но и влияние межзвёздной среды, которая может существенно искажать наблюдаемые сигналы. Важным направлением представляется разработка новых детекторов, способных регистрировать нейтрино сверхвысоких энергий, что позволит пролить свет на процессы, происходящие в самых экстремальных областях космоса.

В конечном счёте, поиск ответа на вопрос о происхождении космических лучей — это не просто задача астрофизики, но и испытание для всей нашей способности строить адекватные модели Вселенной. Каждая новая находка лишь подчёркивает, как много ещё предстоит узнать, и как легко даже самые убедительные теории могут исчезнуть за горизонтом событий.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.07589.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-13 16:44