Новый экстремальный ускоритель частиц, питаемый пульсаром PSR J1849−0001

Недавние исследования, проведенные астрономами из коллаборации LHAASO (Большое высокогорное обсерватория для наблюдений за космическими лучами), выявили, что пульсар PSR J1849−0001, находящийся в окружении пульсарной туманности, является источником гамма-излучения с энергией, превышающей 100 ТэВ. Это открытие подтверждает, что такие туманности могут выступать в роли эффективных ускорителей частиц, способных производить частицы с энергией до ПэВ (10^15 эВ).

Пульсар PSR J1849−0001, обладающий периодом вращения всего 38,5 миллисекунд, расположен на расстоянии около 7 кпк от Земли и имеет мощность замедления, примерно в 50 раз меньшую, чем у пульсара Краб. Наблюдения, проведенные с помощью таких телескопов, как HESS и ASγ, показали, что его гамма-спектр простирается до нескольких сотен ТэВ, включая обнаружение фотона с энергией 2 ПэВ. Вероятность того, что это событие вызвано диффузным гамма-фоном, крайне мала, что указывает на его астрофизическую природу.

Исследование показывает, что спектр гамма-излучения PSR J1849−0001 следуют закону степени, а его яркость превосходит таковую у туманности Краб. Однако, согласно наблюдениям в рентгеновском диапазоне, среднее магнитное поле в туманности составляет около 3 μG, что значительно ниже, чем в туманности Краб, и указывает на экстремальную эффективность ускорения частиц, которая близка к единице.

Эти результаты ставят под сомнение традиционные теории ускорения частиц в пульсарных туманностях и предполагают наличие неидеальных магнитогидродинамических условий внутри ускорителя. Это может включать магнитную рекомбинацию перед ударной волной.

Эмиссия фотона гамма-излучения с энергией 2 ПэВ через обратное Комптоновское рассеяние требует, чтобы электроны были предварительно ускорены до сопоставимых энергий. Это создает строгие ограничения на эффективность ускорения: она должна одновременно преодолевать радиационные потери типа синхротронного излучения и ограничения, накладываемые мощностью замедления пульсара.

Исследователи предполагают, что если ускорение происходит на уровне ударной волны, наблюдения указывают на очень низкий коэффициент магнитного равновесия, что подразумевает значительно более высокую эффективность ускорения, чем ожидалось в рамках идеальной магнитогидродинамики. Это состояние сложно совместимо с механизмами ускорения первого порядка, однако может быть объяснено неидеальными процессами, такими как магнитная рекомбинация в полосатом пульсарном ветре.

Возможны и альтернативные сценарии, которые помещают зону ускорения перед или после ударной волны, что позволяет частично ослабить ограничения, но все равно требует исключительной эффективности.

Эти результаты подчеркивают значительное несоответствие между наблюдениями LHAASO и современными теоретическими моделями пульсарных туманностей. Достижение эффективности ускорения на уровне единицы или выше представляет собой серьезную задачу, даже в рамках неидеальной магнитогидродинамики.

Таким образом, пульсарная туманность, связанная с PSR J1849−0001, представляет собой новый пример галактического источника, способного ускорять электроны до энергий ПэВ. Это открытие предполагает, что экстремальные условия ускорения могут быть довольно распространены в молодых пульсарных туманностях, и они могут значительно способствовать галактической популяции ускорителей космических лучей типа Пэватронов, при условии эффективного заряда протонов.

Поиск космических ускорителей продолжается...