Международная коллаборация астрофизиков, в которую входят и исследователи из МФТИ, зарегистрировала переменное гамма-излучение от знаменитой двойной системы Лебедь X-3 с энергиями до 3,7 петаэлектронвольта (ПэВ). Это в сотни раз больше, чем энергия частиц в Большом адронном коллайдере. Наблюдения указывают на то, что рядом с компактным объектом неизвестной природы в этой системе протоны могут разгоняться до энергий в десятки ПэВ.
Работа опубликована в журнале National Science Review в формате принятой рукописи.
Лебедь X-3, или Cygnus X-3,— тесная пара из массивной звезды типа Вольфа—Райе (очень массивные звезды с высокими температурами и большим содержанием элементов тяжелее водорода) и компактного объекта, природа которого окончательно не установлена: это может быть черная дыра или нейтронная звезда. Период обращения двойной системы всего 4,8 часа. Такие системы называют микроквазарами: они выбрасывают струи вещества — джеты, которые летят почти со скоростью света. Джеты работают как природные ускорители частиц, но понять, где именно и какие частицы разгоняются, очень трудно.
Гамма-лучи помогают проследить эти процессы: их энергия и изменения яркости несут информацию об условиях в источнике.
Установка LHAASO в китайской провинции Сычуань на высоте 4,4 км ловит не сами гамма-кванты, а ливни вторичных частиц, которые те порождают в атмосфере. За пять с лишним лет наблюдений (с декабря 2019 по июль 2024-го) астрономы нашли в направлении Лебедя X-3 точечный источник гамма-лучей. Пять фотонов имели энергию выше 1 ПэВ, а два самых мощных — 3,7 и 3,1 ПэВ.
Но самое интересное в этих наблюдениях — изменчивость. Периоды повышенной активности в сверхвысоких энергиях совпали с яркими вспышками, которые одновременно видел космический телескоп Fermi-LAT в более низком диапазоне. Когда система «молчала», фотонов с энергией выше 0,4 ПэВ не приходило вовсе.
В совокупности результаты поддерживают гипотезу об источнике излучения внутри двойной системы или рядом с ней, вероятнее всего во внутренней части джета.
Спектр тоже оказался необычным: после поправки на поглощение гамма-лучей по пути к Земле в нем отчетливо проявился возможный подъем выше 1 ПэВ. Основной вклад в поглощение на этих энергиях вносит реликтовое микроволновое излучение.
Чтобы объяснить наблюдения, физики рассмотрели адронные процессы — взаимодействия с участием протонов.
Юрий Стенькин, профессор кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ, так рассказал о выводах ученых: «Еще в 1980-х годах были сообщения о гамма-излучении от Лебедя X-3, но их ставили под сомнение. Новые данные не просто подтверждают, что источник реален, они показывают, что его излучение меняется, а значит, связано с активностью внутренних областей системы. Мы считаем, что все дело в протонах. В сильном магнитном поле электроны слишком быстро теряют энергию, а протоны выживают и могут разгоняться до 15 ПэВ и выше. Сталкиваясь с ультрафиолетовым светом звезды, они рождают короткоживущие частицы — нейтральные пионы, которые распадаются на гамма-кванты. Этот процесс объясняет подъем спектра около 1 ПэВ».
Однако одного такого механизма недостаточно для всего измеренного диапазона, начинающегося примерно с 0,06 ПэВ. Излучение ниже 1 ПэВ исследователи объясняют дополнительными столкновениями протонов с веществом джета или звездного ветра либо с рентгеновскими фотонами. Таким образом, гамма-сигнал обнаружен непосредственно, а ускорение протонов и конкретные каналы излучения являются физической интерпретаций наблюдений, которая была предложена в научной работе.
Модель также предсказывает, что микроквазары вроде Лебедя X-3 должны рождать нейтрино и создавать протяженное гамма-гало вокруг себя. Это дает астрофизикам новые ориентиры для проверки истинности модели: возможно, LHAASO или будущие нейтринные телескопы увидят эти следы.
Научная статья: Zhen Cao, Felix Aharonian et al. Cygnus X-3: A variable petaelectronvolt γ-ray source // National Science Review, 2026; nwag435. DOI: https://doi.org/10.1093/nsr/nwag435
