First detection of ultra-high energy emission from gamma-ray binary LS I +61 303
باستخدام بيانات من مرصد LHAASO (مرصد حشد الهواء عالي الارتفاع)، أبلغ الباحثون عن أول رصد لانبعاث أشعة غاما فائق الطاقة (يتجاوز 100 تيرا إلكترون فولت) من النظام الثنائي LS I +61 303، مما يوفر دليلاً مقنعاً على تسريع الجسيمات الشديد والتشكيل المداري الذي يشير إلى سيناريو انبعاث لبتوني وهادروني مركب.
المؤلفون الأصليون: Zhen Cao (The LHAASO Collaboration), F. Aharonian (The LHAASO Collaboration), Y. X. Bai (The LHAASO Collaboration), Y. W. Bao (The LHAASO Collaboration), D. Bastieri (The LHAASO Collaboration), X. J. Bi (The LHAASO Collaboration), Y. J. Bi (The LHAASO Collaboration), W. Bian (The LHAASO Collaboration), J. Blunier (The LHAASO Collaboration), A. V. Bukevich (The LHAASO Collaboration), C. M. Cai (The LHAASO Collaboration), Y. Y. Cai (The LHAASO Collaboration), W. Y. Cao (The LHAASO Collaboration), Zhe Cao (The LHAASO Collaboration), J. Chang (The LHAASO Collaboration), J. F. Chang (The LHAASO Collaboration), E. S. Chen (The LHAASO Collaboration), G. H. Chen (The LHAASO Collaboration), H. K. Chen (The LHAASO Collaboration), L. F. Chen (The LHAASO Collaboration), Liang Chen (The LHAASO Collaboration), Long Chen (The LHAASO Collaboration), M. J. Chen (The LHAASO Collaboration), M. L. Chen (The LHAASO Collaboration), Q. H. Chen (The LHAASO Collaboration), S. Chen (The LHAASO Collaboration), S. H. Chen (The LHAASO Collaboration), S. Z. Chen (The LHAASO Collaboration), T. L. Chen (The LHAASO Collaboration), X. B. Chen (The LHAASO Collaboration), X. J. Chen (The LHAASO Collaboration), X. P. Chen (The LHAASO Collaboration), Y. Chen (The LHAASO Collaboration), N. Cheng (The LHAASO Collaboration), Q. Y. Cheng (The LHAASO Collaboration), Y. D. Cheng (The LHAASO Collaboration), M. Y. Cui (The LHAASO Collaboration), S. W. Cui (The LHAASO Collaboration), X. H. Cui (The LHAASO Collaboration), Y. D. Cui (The LHAASO Collaboration), B. Z. Dai (The LHAASO Collaboration), H. L. Dai (The LHAASO Collaboration), Z. G. Dai (The LHAASO Collaboration), Danzengluobu (The LHAASO Collaboration), Y. X. Diao (The LHAASO Collaboration), A. J. Dong (The LHAASO Collaboration), X. Q. Dong (The LHAASO Collaboration), K. K. Duan (The LHAASO Collaboration), J. H. Fan (The LHAASO Collaboration), Y. Z. Fan (The LHAASO Collaboration), J. Fang (The LHAASO Collaboration), J. H. Fang (The LHAASO Collaboration), K. Fang (The LHAASO Collaboration), C. F. Feng (The LHAASO Collaboration), H. Feng (The LHAASO Collaboration), L. Feng (The LHAASO Collaboration), S. H. Feng (The LHAASO Collaboration), X. T. Feng (The LHAASO Collaboration), Y. Feng (The LHAASO Collaboration), Y. L. Feng (The LHAASO Collaboration), S. Gabici (The LHAASO Collaboration), B. Gao (The LHAASO Collaboration), Q. Gao (The LHAASO Collaboration), W. Gao (The LHAASO Collaboration), W. K. Gao (The LHAASO Collaboration), M. M. Ge (The LHAASO Collaboration), T. T. Ge (The LHAASO Collaboration), L. S. Geng (The LHAASO Collaboration), G. Giacinti (The LHAASO Collaboration), G. H. Gong (The LHAASO Collaboration), Q. B. Gou (The LHAASO Collaboration), M. H. Gu (The LHAASO Collaboration), F. L. Guo (The LHAASO Collaboration), J. Guo (The LHAASO Collaboration), K. J. Guo (The LHAASO Collaboration), X. L. Guo (The LHAASO Collaboration), Y. Q. Guo (The LHAASO Collaboration), Y. Y. Guo (The LHAASO Collaboration), R. P. Han (The LHAASO Collaboration), O. A. Hannuksela (The LHAASO Collaboration), M. Hasan (The LHAASO Collaboration), H. H. He (The LHAASO Collaboration), H. N. He (The LHAASO Collaboration), J. Y. He (The LHAASO Collaboration), X. Y. He (The LHAASO Collaboration), Y. He (The LHAASO Collaboration), S. Hernández-Cadena (The LHAASO Collaboration), B. W. Hou (The LHAASO Collaboration), C. Hou (The LHAASO Collaboration), X. Hou (The LHAASO Collaboration), H. B. Hu (The LHAASO Collaboration), S. C. Hu (The LHAASO Collaboration), C. Huang (The LHAASO Collaboration), D. H. Huang (The LHAASO Collaboration), J. J. Huang (The LHAASO Collaboration), X. L. Huang (The LHAASO Collaboration), X. T. Huang (The LHAASO Collaboration), X. Y. Huang (The LHAASO Collaboration), Y. Huang (The LHAASO Collaboration), Y. Y. Huang (The LHAASO Collaboration), A. Inventar (The LHAASO Collaboration), X. L. Ji (The LHAASO Collaboration), H. Y. Jia (The LHAASO Collaboration), K. Jia (The LHAASO Collaboration), H. B. Jiang (The LHAASO Collaboration), K. Jiang (The LHAASO Collaboration), X. W. Jiang (The LHAASO Collaboration), Z. J. Jiang (The LHAASO Collaboration), M. Jin (The LHAASO Collaboration), S. Kaci (The LHAASO Collaboration), M. M. Kang (The LHAASO Collaboration), I. Karpikov (The LHAASO Collaboration), D. Khangulyan (The LHAASO Collaboration), D. Kuleshov (The LHAASO Collaboration), K. Kurinov (The LHAASO Collaboration), Cheng Li (The LHAASO Collaboration), Cong Li (The LHAASO Collaboration), D. Li (The LHAASO Collaboration), F. Li (The LHAASO Collaboration), H. B. Li (The LHAASO Collaboration), H. C. Li (The LHAASO Collaboration), Jian Li (The LHAASO Collaboration), Jie Li (The LHAASO Collaboration), K. Li (The LHAASO Collaboration), L. Li (The LHAASO Collaboration), R. L. Li (The LHAASO Collaboration), S. D. Li (The LHAASO Collaboration), T. Y. Li (The LHAASO Collaboration), W. L. Li (The LHAASO Collaboration), X. R. Li (The LHAASO Collaboration), Y. Li (The LHAASO Collaboration), Zhe Li (The LHAASO Collaboration), Zhuo Li (The LHAASO Collaboration), E. W. Liang (The LHAASO Collaboration), Y. F. Liang (The LHAASO Collaboration), S. J. Lin (The LHAASO Collaboration), B. Liu (The LHAASO Collaboration), C. Liu (The LHAASO Collaboration), D. Liu (The LHAASO Collaboration), D. B. Liu (The LHAASO Collaboration), H. Liu (The LHAASO Collaboration), J. Liu (The LHAASO Collaboration), J. L. Liu (The LHAASO Collaboration), J. R. Liu (The LHAASO Collaboration), M. Y. Liu (The LHAASO Collaboration), R. Y. Liu (The LHAASO Collaboration), S. M. Liu (The LHAASO Collaboration), W. Liu (The LHAASO Collaboration), X. Liu (The LHAASO Collaboration), Y. Liu (The LHAASO Collaboration), Y. Liu (The LHAASO Collaboration), Y. N. Liu (The LHAASO Collaboration), Y. Q. Lou (The LHAASO Collaboration), Q. Luo (The LHAASO Collaboration), Y. Luo (The LHAASO Collaboration), H. K. Lv (The LHAASO Collaboration), B. Q. Ma (The LHAASO Collaboration), L. L. Ma (The LHAASO Collaboration), X. H. Ma (The LHAASO Collaboration), I. O. Maliy (The LHAASO Collaboration), J. R. Mao (The LHAASO Collaboration), Z. Min (The LHAASO Collaboration), W. Mitthumsiri (The LHAASO Collaboration), Y. Mizuno (The LHAASO Collaboration), G. B. Mou (The LHAASO Collaboration), A. Neronov (The LHAASO Collaboration), K. C. Y. Ng (The LHAASO Collaboration), M. Y. Ni (The LHAASO Collaboration), L. Nie (The LHAASO Collaboration), L. J. Ou (The LHAASO Collaboration), Z. W. Ou (The LHAASO Collaboration), P. Pattarakijwanich (The LHAASO Collaboration), Z. Y. Pei (The LHAASO Collaboration), D. Y. Peng (The LHAASO Collaboration), J. C. Qi (The LHAASO Collaboration), M. Y. Qi (The LHAASO Collaboration), J. J. Qin (The LHAASO Collaboration), D. Qu (The LHAASO Collaboration), A. Raza (The LHAASO Collaboration), C. Y. Ren (The LHAASO Collaboration), D. Ruffolo (The LHAASO Collaboration), A. Sáiz (The LHAASO Collaboration), D. Savchenko (The LHAASO Collaboration), D. Semikoz (The LHAASO Collaboration), L. Shao (The LHAASO Collaboration), O. Shchegolev (The LHAASO Collaboration), Y. Z. Shen (The LHAASO Collaboration), X. D. Sheng (The LHAASO Collaboration), Z. D. Shi (The LHAASO Collaboration), F. W. Shu (The LHAASO Collaboration), H. C. Song (The LHAASO Collaboration), Yu. V. Stenkin (The LHAASO Collaboration), Y. Su (The LHAASO Collaboration), D. X. Sun (The LHAASO Collaboration), H. Sun (The LHAASO Collaboration), J. X. Sun (The LHAASO Collaboration), Q. N. Sun (The LHAASO Collaboration), X. N. Sun (The LHAASO Collaboration), Z. B. Sun (The LHAASO Collaboration), N. H. Tabasam (The LHAASO Collaboration), J. Takata (The LHAASO Collaboration), P. H. T. Tam (The LHAASO Collaboration), H. B. Tan (The LHAASO Collaboration), Q. W. Tang (The LHAASO Collaboration), R. Tang (The LHAASO Collaboration), Z. B. Tang (The LHAASO Collaboration), W. W. Tian (The LHAASO Collaboration), C. N. Tong (The LHAASO Collaboration), L. H. Wan (The LHAASO Collaboration), C. Wang (The LHAASO Collaboration), D. H. Wang (The LHAASO Collaboration), G. W. Wang (The LHAASO Collaboration), H. G. Wang (The LHAASO Collaboration), J. C. Wang (The LHAASO Collaboration), K. Wang (The LHAASO Collaboration), Kai Wang (The LHAASO Collaboration), Kai Wang (The LHAASO Collaboration), L. P. Wang (The LHAASO Collaboration), L. Y. Wang (The LHAASO Collaboration), L. Y. Wang (The LHAASO Collaboration), R. Wang (The LHAASO Collaboration), W. Wang (The LHAASO Collaboration), X. G. Wang (The LHAASO Collaboration), X. J. Wang (The LHAASO Collaboration), X. Y. Wang (The LHAASO Collaboration), Y. Wang (The LHAASO Collaboration), Y. D. Wang (The LHAASO Collaboration), Z. H. Wang (The LHAASO Collaboration), Z. X. Wang (The LHAASO Collaboration), Zheng Wang (The LHAASO Collaboration), D. M. Wei (The LHAASO Collaboration), J. J. Wei (The LHAASO Collaboration), Y. J. Wei (The LHAASO Collaboration), T. Wen (The LHAASO Collaboration), S. S. Weng (The LHAASO Collaboration), C. Y. Wu (The LHAASO Collaboration), H. R. Wu (The LHAASO Collaboration), Q. W. Wu (The LHAASO Collaboration), S. Wu (The LHAASO Collaboration), X. F. Wu (The LHAASO Collaboration), Y. S. Wu (The LHAASO Collaboration), S. Q. Xi (The LHAASO Collaboration), J. Xia (The LHAASO Collaboration), J. J. Xia (The LHAASO Collaboration), G. M. Xiang (The LHAASO Collaboration), D. X. Xiao (The LHAASO Collaboration), G. Xiao (The LHAASO Collaboration), Y. F. Xiao (The LHAASO Collaboration), Y. L. Xin (The LHAASO Collaboration), H. D. Xing (The LHAASO Collaboration), Y. Xing (The LHAASO Collaboration), D. R. Xiong (The LHAASO Collaboration), B. N. Xu (The LHAASO Collaboration), C. Y. Xu (The LHAASO Collaboration), D. L. Xu (The LHAASO Collaboration), R. F. Xu (The LHAASO Collaboration), R. X. Xu (The LHAASO Collaboration), S. S. Xu (The LHAASO Collaboration), W. L. Xu (The LHAASO Collaboration), L. Xue (The LHAASO Collaboration), D. H. Yan (The LHAASO Collaboration), T. Yan (The LHAASO Collaboration), C. W. Yang (The LHAASO Collaboration), C. Y. Yang (The LHAASO Collaboration), F. F. Yang (The LHAASO Collaboration), L. L. Yang (The LHAASO Collaboration), M. J. Yang (The LHAASO Collaboration), R. Z. Yang (The LHAASO Collaboration), W. X. Yang (The LHAASO Collaboration), Z. H. Yang (The LHAASO Collaboration), Z. G. Yao (The LHAASO Collaboration), X. A. Ye (The LHAASO Collaboration), L. Q. Yin (The LHAASO Collaboration), N. Yin (The LHAASO Collaboration), X. H. You (The LHAASO Collaboration), Z. Y. You (The LHAASO Collaboration), Q. Yuan (The LHAASO Collaboration), H. Yue (The LHAASO Collaboration), H. D. Zeng (The LHAASO Collaboration), T. X. Zeng (The LHAASO Collaboration), W. Zeng (The LHAASO Collaboration), X. T. Zeng (The LHAASO Collaboration), M. Zha (The LHAASO Collaboration), B. B. Zhang (The LHAASO Collaboration), B. T. Zhang (The LHAASO Collaboration), C. Zhang (The LHAASO Collaboration), H. Zhang (The LHAASO Collaboration), H. M. Zhang (The LHAASO Collaboration), H. Y. Zhang (The LHAASO Collaboration), J. L. Zhang (The LHAASO Collaboration), J. Y. Zhang (The LHAASO Collaboration), Li Zhang (The LHAASO Collaboration), P. F. Zhang (The LHAASO Collaboration), R. Zhang (The LHAASO Collaboration), S. R. Zhang (The LHAASO Collaboration), S. S. Zhang (The LHAASO Collaboration), S. Y. Zhang (The LHAASO Collaboration), W. Zhang (The LHAASO Collaboration), W. Y. Zhang (The LHAASO Collaboration), X. Zhang (The LHAASO Collaboration), X. P. Zhang (The LHAASO Collaboration), Yi Zhang (The LHAASO Collaboration), Yong Zhang (The LHAASO Collaboration), Z. P. Zhang (The LHAASO Collaboration), J. Zhao (The LHAASO Collaboration), L. Zhao (The LHAASO Collaboration), L. Z. Zhao (The LHAASO Collaboration), S. P. Zhao (The LHAASO Collaboration), X. H. Zhao (The LHAASO Collaboration), Z. H. Zhao (The LHAASO Collaboration), F. Zheng (The LHAASO Collaboration), T. C. Zheng (The LHAASO Collaboration), B. Zhou (The LHAASO Collaboration), H. Zhou (The LHAASO Collaboration), J. N. Zhou (The LHAASO Collaboration), M. Zhou (The LHAASO Collaboration), P. Zhou (The LHAASO Collaboration), R. Zhou (The LHAASO Collaboration), X. X. Zhou (The LHAASO Collaboration), X. X. Zhou (The LHAASO Collaboration), B. Y. Zhu (The LHAASO Collaboration), C. G. Zhu (The LHAASO Collaboration), F. R. Zhu (The LHAASO Collaboration), H. Zhu (The LHAASO Collaboration), K. J. Zhu (The LHAASO Collaboration), Y. C. Zou (The LHAASO Collaboration), X. Zuo (The LHAASO Collaboration)
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
إليك شرح للورقة البحثية، مترجم من الفيزياء الفلكية المعقدة إلى قصة يمكنك فهمها أثناء احتساء كوب من القهوة.
الصورة الكبيرة: اصطياد "الرصاصات الخارقة"
تخيل الكون كمحيط شاسع ومظلم. في معظم الأوقات، يكون هادئاً. ولكن بين الحين والآخر، تحدث "عاصفة" كونية، تطلق جسيمات سريعة وطاقية للغاية لدرجة أنها تشبه الرصاصات الخارقة التي تسافر بسرعة تقترب من سرعة الضوء.
يعرف العلماء منذ زمن طويل عن وجود "نظام عواصف" محدد في مجرتنا يسمى LS I +61°303. إنه رقصة كونية بين شريكين:
- نجم ضخم وشاب (من نوع Be) يدور بسرعة كبيرة لدرجة أنه يقذف حلقة عملاقة من الغاز حول نفسه (مثل متزلجة على الجليد ترتدي تنورة من الماء).
- شريك صغير وغير مرئي (على الأرجما يكون نجماً نيوترونياً) وهو عبارة عن قلب نجم ميت وكثيف، يدور حول النجم الكبير.
لسنوات، استطاعت التلسكوبات رؤية "المطر" (الضوء منخفض الطاقة) الناتج عن هذه العاصفة. لكن هذه الورقة البحثية الجديدة، باستخدام كاشف عملاق في الصين يسمى LHAASO، قد تمكنت أخيراً من اصطياد "الرصاصات الخارقة" (أشعة غاما ذات الطاقة الفائقة العالية). هذه جسيمات بطاقات تتجاوز 100 تريليون إلكترون فولت — وهي طاقات عالية جداً لدرجة أنها كانت تُعتبر مستحيلة لهذا النوع من الأنظمة سابقاً.
العمل الاستقصائي: كيف وجدوها؟
مرصد LHAASO يشبه شبكة ضخمة عالية التقنية منتشرة عبر جبل في سيشوان بالصين. عندما تصطدم "رصاصة خارقة" من الفضاء بالغلاف الجوي، فإنها تخلق زخات من الجسيمات الثانوية، مثل الارتطام في بركة ماء. يقوم LHASO باصطياد هذه الارتطامات.
نظر الفريق في البيانات من جزأين مختلفين من شبكتهم:
- "الشبكة الواسعة" (WCDA): اصطادت عدداً هائلاً من الرصاصات متوسطة الطاقة.
- "الشبكة العميقة" (KM2A): اصطادت الرصاصات النادرة والقوية للغاية.
النتيجة: وجدوا إشارة واضحة. لم تكن مجرد ضوضاء خلفية؛ بل كانت "نبضة" مميزة قادمة من اتجاه LS I +61°303. حتى أنهم وجدوا جسيماً واحداً بطاقة قدرها 267 TeV (أي 267 تريليون إلكترون فولت!). ولتضع ذلك في الاعتبار، إذا كان لبروتون واحد هذه الطاقة، فسيكون الأمر أشبه بكرة بيسبول تُرمى بسرعة 100 ميل في الساعة، ولكنها مضغوطة في ذرة دون ذرية.
اللغز: لماذا يحدث هذا؟
الجزء الأكثر إثارة في الورقة ليس فقط أنهم وجدوا هذه الرصاصات، بل متى وجدوها.
تخيل النجمين وهما يرقصان في مدار إهليلجي. أحياناً يكونان بعيدين عن بعضهما (الأوج)، وأحياناً يكونان قريبين جداً (الحضيض).
- النظرية القديمة: اعتقد العلماء أن "الرصاصات الخارقة" ستنطلق عندما يكون النجمان قريبين من بعضهما، ويصطدمان بغاز كل منهما.
- الدليل الجديد: تظهر البيانات شيئاً غريباً. الرصاصات منخفضة الطاقة تخرج عندما يكون النجمان قريبين. لكن الرصاصات الخارقة (التي تزيد طاقتها عن 100 TeV) يبدو أنها تتجمع عندما يكون النجمان أبعد عن بعضهما.
الحل: سيارة بمحركين
يقترح المؤلفون تفسيراً ذكياً باستخدام تشبيه "المحركين".
تخيل النظام الثنائي كسيارة بمحركين:
- المحرك الكهربائي (Leptonic): يستخدم الإلكترونات. هو ممتاز للسرعة ولكنه يفقد قوته بسرعة عندما تصبح الأمور حارة جداً أو مزدحمة. هذا المحرك يشغل الضوء منخفض الطاقة الذي نراه عندما يكون النجمان قريبين.
- محرك الديزل (Hadronic): يستخدم البروتونات (جسيمات ثقيلة). هو أبطأ في البدء ولكنه يستطيع تحمل المهام الشاقة والذهاب لمسافات أبعد بكثير.
النظرية:
- عندما يكون النجمان قريبين، ينطلق "المحرك الكهربائي" بقوة، مما يخلق دفقة من الضوء.
- ولكن مع ابتعاد النجمين، تتغير البيئة. "المحرك الكهربائي" يتعرض للاختناق بسبب الإشعاع المكثف (مثل محاولة تشغيل مروحة وسط إعصار). ومع ذلك، يستمر "محرك الديزل" (البروتونات) في العمل. ولأن المجالات المغناطيسية تكون أضعف عندما يبتعد النجمان، فإن البروتونات لا تفقد طاقتها بسرعة. يتم تسريعها إلى سرعات جنونية وتطلق تلك الرصاصات ذات الطاقة الفائقة العالية.
لماذا يهم هذا؟
هذا الاكتشاف يغير قواعد اللعبة لسببين:
- مرشح الـ "PeVatron": يشير هذا إلى أن LS I +61°303 هو "PeVatron" — وهو مسرع جسيمات طبيعي في مجرتنا قادر على رفع الجسيمات إلى طاقات لا يمكننا حتى إنتاجها في أكبر آلاتنا المصنوعة يدوياً (مثل مصادم الهادرونات الكبير). هذا يثبت أن الطبيعة وجدت طريقة لبناء محرك صاروخي خارق.
- اللغز الكوني: إنه يحل لغزاً حول كيفية عمل هذه الأنظمة. فهي ليست مجرد تصادمات بسيطة؛ بل هي آلات معقدة حيث تلعب أنواع مختلفة من الجسيمات الدور الرئيسي في أوقات ومسافات مختلفة.
الخلاصة
لقد فتح فريق LHAO نافذة جديدة على الكون. لقد نظروا إلى نظام رقص كوني وأدركوا أنه ليس مجرد رقصة "فالس" بسيطة؛ بل هو مطاردة عالية السرعة حيث يتبادل النجوم الأدوار بناءً على مدى بعدهما عن بعضهما البعض. لقد وجدوا "الدليل القاطع" على وجود جسيمات فائقة القوة، مما يثبت أن مجرتنا مليئة بالمصانع الخفية القادرة على خلق الطاقة الأكثر تطرفاً في الكون.
إليك ملخص تقني مفصل لورقة بحث "أول رصد لانبعاثات الطاقة الفائقة من الثنائي أشعة غاما LS I +61◦303" من قبل تعاون LHAASO.
1. المشكلة والسياق العلمي
الثنائيات التي تصدر أشعة غاما هي أنظمة تتكون من جرم مضغوط (نجم نيوتوني أو ثقب أسود) يدور حول نجم ضخم من نوع O أو Be. ومن المعروف أنها تصدر أشعة غاما متغيرة، يتم تعديلها بواسطة دوراتها المدارية، مدفوعة بالتفاعلات بين التدفق النسبي للجرم المضغوط ورياح النجم المرافق أو قرصه.
- الفجوة: بينما تم رصد هذه الأنظمة في نطاق TeV (حتى حوالي 10-20 TeV) بواسطة أدوات مثل MAGIC وVERITAS، لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت قادرة على تسريع الجسيمات إلى طاقات فائقة العلو (UHE؛ >100 TeV) أو حتى طاقات PeV.
- السؤال: هل يمكن للثنائيات التي تصدر أشعة غاما أن تعمل كـ "PeVatrons" مجرية (مصادر قادرة على تسريع الأشعة الكونية إلى طاقات PeV)؟ وتحديداً، هل يصدر LS I +61◦303، وهو نموذج أولي لثنائيات أشعة غاما، فوتونات تتجاوز 100 TeV، وما هي الآليات الفيزيائية (الليبوتونية أم الهادرونية) التي تقود هذا الانبعاث؟
2. المنهجية
تستخدم الدراسة بيانات من مرصد LHAASO (مرصد LHAASO عالي الارتفاع لزخات الهواء)، الواقع في سيتشوان، الصين. يجمع التحليل البيانات من مصفوفتين فرعيتين:
- مصفوفة WCDA (مصفوفة كاشف شيرينكوف الماء): تُستخدم لنطاق الطاقة 1.4 – 30.5 TeV. تم جمع البيانات من مارس 2021 إلى يوليو 2024. يعتمد تقدير الطاقة على عدد الكواشف المثارة (Nhit).
- مصفوفة KM2A (مصفوفة الكيلومتر المربع): تُستخدم لنطاق الطاقة من 25 TeV إلى عدة مئات من TeV. تم جمع البيانات من ديسمبر 2019 إلى يوليو 2024. يعتمد إعادة بناء الطاقة على كثافة الجسيمات على بعد 50 متراً من محور الزخة.
- تقنيات التحليل:
- الملاءمة الاحتمالية ثلاثية الأبعاد (3D Likelihood Fitting): تم إجراء ملاءمة مشتركة عبر منطقة اهتمام (ROI) تبلغ 4 درجات لنمذجة المصدر (LS I +61◦303)، ومصدر قريب (1LHAASO J0249+6022)، والانبعاث المنتشر المجري (GDE) في آن واحد.
- تقدير الخلفية: تم استخدام "طريقة التكامل المباشر" لتقدير خلفية الأشعة الكونية.
- التعديل المداري: تم تقسيم الأحداث إلى أطوار مدارية (ϕ) باستخدام الفترة المعروفة P=26.496 يوماً. قارنت اختبارات نسبة الاحتمالية بين فرضيات التدفق الثابت مقابل التدفق المعتمد على الطور.
- اختيار أحداث الطاقة العالية: بالنسبة لنطاق >100 TeV، تم تحديد أحداث تشبه الفوتونات خصيصاً مقابل الخلفية باستخدام صيغة Li & Ma.
3. المساهمات الرئيسية والنتائج
أ. أول رصد للطاقة الفائقة (UHE)
- الأهمية الإحصائية: تسجل الورقة أول رصد مؤكد لانبعاث أشعة غاما من LS I +61◦303 في نطاق الطاقة الفائقة (UHE).
- الدلالة الإحصائية:
- WCDA (1.4–30.5 TeV): رصد بدلالة 9.2σ.
- KM2A (25–267 TeV): رصد بدلالة 6.2σ.
- العينة الفرعية >100 TeV: تم رصد 16 حدثاً يشبه الفوتونات مقابل خلفية مقدرة بـ 5.1 حدثاً، مما أعطى دلالة قدرها 3.8σ.
- أعلى حدث طاقة: تم رصد حدث واحد يشبه الفوتون بطاقة مقدرة تبلغ 267±61 TeV على مسافة زاوية قدرها 0.09∘ من المصدر، وهو ما يتوافق مع دالة توزيع النقاط (PSF) الخاصة بالكاشف.
ب. الخصائص الطيفية
- الطيف المدمج من 1 TeV إلى مئات الـ TeV يوصف جيداً بـ قانون القوة المفرد (single power law):
dN/dE=N0(E/10 TeV)−Γ - معاملات الملاءمة المثلى:
- مؤشر الفوتون: Γ=3.00±0.05.
- تطبيع التدفق: N0=(2.18±0.20)×10−15 TeV−1 cm−2 s−1.
- التدفق المتكامل (>1 TeV): 1.10×10−12 cm−2 s−1 (حوالي 3.8% من تدفق سديم السرطان).
- لم يتم رصد أي قطع طيفي (spectral cutoff) معتبر حتى 267 TeV، مما يتحدى نماذج التسريع القياسية.
ج. التعديل المداري والاعتماد على الطاقة
- الطاقة المنخفضة (1.4–3.5 TeV): يتم رصد الانبعاث عبر معظم الأطوار، ويصل ذروته بالقرب من ϕ≈0.6 (بالقرب من الأوج/الاقتران السفلي). دلالة التعديل: ∼2.6σ.
- الطاقة المتوسطة (25–100 TeV): يكون الانبعاث أكثر انحصاراً في الأطوار ϕ=0.3–0.6. دلالة التعديل: 3.9σ.
- الطاقة الفائقة العلو (>100 TeV): نظراً لانخفاض الإحصائيات، تم تقسيم البيانات إلى مجموعتين. هناك إشارة (2.4σ) إلى أن فوتونات UHE تتجمع في نطاق ϕ=0.6–0.2 (بالقرب من الأوج)، وهو ما يختلف عن توزيع الطاقة الأدنى الذي يصل لذروته بالقرب من الحضيض.
4. التفسير الفيزيائي والمناقشة
يقترح المؤلفون سيناريو ليبو-هادروني مركّب (composite lepto-hadronic scenario) لتفسير الملاحظات:
المكون الليبوتوني (يهيمن عند الطاقات الأدنى):
- تقوم الإلكترونات بتشتيت فوتونات النجوم عبر تشتت كومبتون العكسي (Inverse Compton - IC).
- هذا يفسر انبعاثات الأشعة السينية وأشعة TeV ذات الطاقة الأدنى.
- ومع ذلك، تواجه النماذج الليبوتونية النقية صعوبة في تفسير انبعاثات >100 TeV بسبب تثبيط كلاين-نيشونا (Klein-Nishina suppression) (انخفاض مقطع تشتت IC عند الطاقات العالية) وحدود تبريد السينكروترون، والتي عادة ما تحد من طاقات الإلكترونات حول 40–130 TeV.
المكون الهادروني (يهيمن عند طاقات UHE):
- يتم تسريع البروتونات وتتفاعل مع المادة الكثيفة (الرياح النجمية أو قرص Be) عبر تصادمات p−p، مما ينتج بيونات متعادلة (π0) تتحلل إلى أشعة غاما.
- عبور القرص: من المرجح أن يمر الجرم المضغوط عبر القرص المحيط بالنجم (Be-disk) بالقرب من الحضيض، مما يخلق بيئة عالية الكثافة (n∼011 cm−3) تعزز كفاءة التفاعل الهادروني.
- ميزانية الطاقة: يتطلب النموذج الهادروني الصرف لكامل الطيف قدرة بروتونية تتجاوز قدرة دوران النجم النابض (pulsar spin-down luminosity). ومع ذلك، فإن السيناريو المختلط يعمل بشكل جيد: توفر الإلكترونات معظم الانبعاث (<25 TeV)، بينما توفر البروتونات ذيل الطاقة العالية (>25 TeV). القدرة البروتونية المطلوبة (∼2.5×1033 erg s−1) تقع ضمن ميزانية دوران النجم النابض (∼6×1033 erg s−1).
الرؤية المدارية:
- يشير رصد فوتونات UHE بالقرب من الأوج إلى أن هذه الفوتونات تهرب من منطقة يكون فيها امتصاص γγ (إنتاج الزوج) في حده الأدنى، بينما قد يتم امتصاص الانبعاث بالقرب من الاقتران العلوي بواسطة حقل الإشعاع النجمي الكثيف.
5. الأهمية
- نافذة جديدة على التسريع: هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تأكيد أن ثنائية أشعة غاما تصدر فوتونات تصل إلى ~267 TeV، مما يثبت قدرة هذه الأنظمة على تسريع الجسيمات إلى طاقات تتجاوز الحدود السابقة بكثير.
- مرشح PeVatron: تشير النتائج بقوة إلى أن LS I +61◦303 هو مرشح PeVatron مجري، قادر على تسريع البروتونات إلى طاقات PeV.
- التحقق من الآلية: يوفر التعديل المداري المعتمد على الطاقة دليلاً حاسماً على آلية تسريع ليبو-هدرونية مختلطة، حيث تتغير مجموعة الجسيمات المهيمنة مع الطاقة.
- الآفاق المستقبلية: يضع هذا الرصد سابقة لحملات متعددة الأطوال الموجية مستقبلاً لدراسة التفاعل بين تسريع الصدمات، المجالات المغناطيسية، والمادة الكثيفة في الأنظمة الثنائية المدمجة.
في الختام، قامت مجموعة LHAASO بتوسيع نطاق الطاقة المعروف لثنائيات أشعة غاما بشكل جوهري، مقدمةً دليلاً مقنعاً على التسريع المتطرف للجسيمات وآلية انبعاث معقدة تعتمد على الطاقة في نظام LS I +61◦303.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.
تصلك أفضل أبحاث astrophysics كل أسبوع.
يحظى بثقة باحثين في ستانفورد وكامبريدج والأكاديمية الفرنسية للعلوم.
تفقّد بريدك لتأكيد الاشتراك.
حدث خطأ ما. تعيد المحاولة؟
لا رسائل مزعجة، ويمكنك إلغاء الاشتراك متى شئت.