На высоте, где воздух уже почти не держит дыхание, китайская обсерватория LHAASO поймала космический источник на почти невозможном трюке. Из обычного на вид звездного остатка к Земле пришли гамма-кванты с энергией порядка одного петаэлектронвольта. Для астрофизики такой сигнал звучит как вызов: природа будто разогнала частицы сильнее, чем разрешают нынешние модели.
Источник находится в созвездии Орла и связан с пульсаром PSR J1849-0001. Вокруг пульсара сформировалась так называемая туманность пульсарного ветра, облако сверхбыстрых заряженных частиц, которое питается энергией вращения мертвой звезды. Обычно такие объекты хорошо изучены и не сулят больших сюрпризов. Главным эталоном долгие годы оставалась Крабовидная туманность, один из самых известных природных ускорителей частиц в нашей галактике.
PSR J1849-0001, на первый взгляд, не тянет на рекордсмена. Мощность пульсара примерно в 50 раз ниже, чем у двигателя Крабовидной туманности. По всем стандартным представлениям, более слабый пульсар должен создавать и более тусклую, и менее энергичную туманность. Наблюдения LHAASO показали прямо противоположную картину.
Обсерватория регистрирует не сами гамма-кванты, а каскады вторичных частиц в атмосфере Земли. Когда гамма-излучение сверхвысокой энергии врезается в верхние слои атмосферы, рождается целый «ливень» частиц. По форме и параметрам такого ливня ученые восстанавливают энергию и направление исходного сигнала. Именно таким способом команда выяснила, что туманность вокруг PSR J1849-0001 испускает гамма-кванты с энергетическим спектром, который тянется вплоть до 2 петаэлектронвольт.
Но главная интрига даже не в абсолютной энергии, а в эффективности. Светимость объекта в диапазоне PeV оказалась в несколько раз выше, чем у Крабовидной туманности, хотя сам пульсар заметно слабее. Фактически астрономы нашли космический ускоритель частиц, который работает лучше, чем предсказывают лучшие теоретические схемы.
Чтобы понять природу аномалии, исследователи объединили данные LHAASO с рентгеновскими наблюдениями. Такой подход помог оценить внутренние свойства туманности, включая магнитные поля и плотность частиц. Расчеты показали, что система работает как минимум на уровне 27 процентов от теоретического предела эффективности в идеальных магнитогидродинамических условиях. Для сравнения, у Крабовидной туманности оценка составляет около 16 процентов. Из-за неожиданной «производительности» авторы назвали объект Aquila Booster, то есть «Ускоритель в Орле».
Дальше начинается самое интересное. В классической модели частицы набирают энергию на так называемой терминальной ударной волне, где ветер пульсара сталкивается с окружающим веществом. Для PSR J1849-0001 такой механизм уже не сходится с наблюдениями. Если объяснять результаты только привычной схемой, эффективность должна превысить 100 процентов, а такой результат физически невозможен. Значит, в туманности действует какой-то другой механизм ускорения, который современная теория пока не описывает.
Новая работа бьет сразу по нескольким представлениям об экстремальной астрофизике. Если сравнительно скромный пульсар способен разгонять частицы до таких энергий и делать это настолько эффективно, туманности пульсарного ветра могут оказаться куда более мощными и распространенными фабриками космических частиц, чем считалось раньше. Заодно открытие показывает, что в моделях ускорения частиц в экстремальных условиях остается серьезный пробел.
Авторы исследования призывают не спешить с окончательными выводами. Оценка эффективности зависит от того, как именно устроена внутренняя структура туманности, а такие параметры еще предстоит уточнить. Ответ должны дать новые наблюдения в разных диапазонах и более чувствительные приборы следующего поколения. Пока же PSR J1849-0001 выглядит как редкий и очень неудобный для теории объект, который заставляет астрофизиков пересматривать привычные правила. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.