Эксперимент HAWC: уникальная технология для обнаружения сверхвысокоэнергетических гамма-лучей
Учёные впервые зафиксировали сверхвысокоэнергетические гамма-лучи, исходящие из центра галактики Млечный Путь. Исследователи из Национальной лаборатории Лос-Аламоса и их коллеги из международной исследовательской группы обнаружили, что эти гамма-лучи имеют энергию более 100 тераэлектрон-вольт, что намного превышает любые ранее наблюдавшиеся энергии. Это открытие было сделано с помощью обсерватории Excessive-Altitude Water Cherenkov (HAWC), расположенной на высоте 13 000 футов над уровнем моря на вулкане Сьерра-Негра (Sierra Negra) в Мексике.
По словам Пэта Хардинга, физика из Лос-Аламоса и главного исследователя проекта от Министерства энергетики, «эти результаты дают возможность заглянуть в центр Млечного Пути и увидеть на порядок более высокие энергии, чем когда-либо наблюдавшиеся ранее». Он также отметил, что «исследование впервые подтверждает наличие источника сверхвысокоэнергетического гамма-излучения PeVatron в месте в Млечном Пути, известном как Галактический центральный хребет, что означает, что галактический центр является местом протекания некоторых из самых экстремальных физических процессов во Вселенной».
Обсерватория HAWC собирает данные уже более семи лет, и за это время исследователи зафиксировали около 100 гамма-событий с энергией более 100 тераэлектрон-вольт. Анализ, проведённый Сохьюном Каркароном и опубликованный в The Astrophysical Journal Letters, показал, что эти данные позволяют напрямую изучать взаимодействие космических лучей с PeVatron и сравнивать его с другими наблюдениями, помогая точно определить процессы излучения и местоположение в центре Млечного Пути.
PeVatron — это источник сверхвысокоэнергетического гамма-излучения, который ускоряет частицы до энергии в миллион миллиардов электрон-вольт (ПэВ), что в квадриллион раз мощнее частиц света, выходящих из лампочки. Протоны космических лучей, генерируемые PeVatron, движутся со скоростью, превышающей ninety 9% скорости света, взаимодействуя с плотным окружающим газом и приводя к образованию гамма-лучей сверхвысокой энергии.
Однако точная природа PeVatrons остаётся загадкой. Энергии указывают на некоторые из самых мощных процессов, которые происходят во Вселенной: гибель звезды, удары и излучение, сопровождающие рождение звезды в условиях термоядерного синтеза, чёрная дыра, поглощающая другую чёрную дыру.
HAWC — уникальный эксперимент, разработанный для регистрации относительно небольшого количества гамма-лучей сверхвысокой энергии, которые могут преодолевать межзвёздные расстояния и достигать Земли. На склонах вулкана Сьерра-Негра 300 зернохранилищ заполнены водой, дно каждого хранилища выложено фотоумножителями.
Когда частицы сверхвысокой энергии достигают атмосферы Земли, они распадаются на обширные воздушные ливни частиц с более низкой энергией, и проходят через резервуары со скоростью, превышающей фазовую скорость воды, что производит черенковское излучение, — эффект, несколько похожий на акустический удар.
Затем исследователи проанализировали временное распределение частиц, обнаруженных в резервуарах, чтобы понять энергетические режимы, действующие в этом процессе, и пришли к выводу, что источником частиц являются гамма-лучи сверхвысокой энергии.
Эксперимент обсерватории HAWC был основан на новаторском эксперименте Milagro, гамма-обсерватории, расположенной в горах Джемес за пределами Лос-Аламоса. Milagro использовал 5-миллионный галлонный водный резервуар и 700 детекторов света для регистрации частиц. Этот эксперимент собирал данные до 2008 года, после чего исследователи перенеслись в обсерваторию HAWC, чтобы иметь возможность более эффективно обнаруживать частицы.
Исследовательская группа планирует расширить результаты обсерватории HAWC и определить местонахождение источника PeVatron с помощью нового эксперимента, Southern Huge-field Gamma-ray Observatory, который строится в пустыне Атакама в Чили.
