Cygnus X-3: A variable petaelectronvolt gamma-ray source
The LHAASO Collaboration, Zhen Cao, F. Aharonian, Y. X. Bai, Y. W. Bao, D. Bastieri, X. J. Bi, Y. J. Bi, W. Bian, J. Blunier, A. V. Bukevich, C. M. Cai, Y. Y. Cai, W. Y. Cao, Zhe Cao, J. Chang, J. F. Chang, E. S. Chen, G. H. Chen, H. K. Chen, L. F. Chen, Liang Chen, Long Chen, M. J. Chen, M. L. Chen, Q. H. Chen, S. Chen, S. H. Chen, S. Z. Chen, T. L. Chen, X. B. Chen, X. J. Chen, X. P. Chen, Y. Chen, N. Cheng, Q. Y. Cheng, Y. D. Cheng, M. Y. Cui, S. W. Cui, X. H. Cui, Y. D. Cui, B. Z. Dai, H. L. Dai, Z. G. Dai, Danzengluobu, Y. X. Diao, A. J. Dong, X. Q. Dong, K. K. Duan, J. H. Fan, Y. Z. Fan, J. Fang, J. H. Fang, K. Fang, C. F. Feng, H. Feng, L. Feng, S. H. Feng, X. T. Feng, Y. Feng, Y. L. Feng, S. Gabici, B. Gao, Q. Gao, W. Gao, W. K. Gao, M. M. Ge, T. T. Ge, L. S. Geng, G. Giacinti, G. H. Gong, Q. B. Gou, M. H. Gu, F. L. Guo, J. Guo, K. J. Guo, X. L. Guo, Y. Q. Guo, Y. Y. Guo, R. P. Han, O. A. Hannuksela, M. Hasan, H. H. He, H. N. He, J. Y. He, X. Y. He, Y. He, S. Hernández-Cadena, B. W. Hou, C. Hou, X. Hou, H. B. Hu, S. C. Hu, C. Huang, D. H. Huang, J. J. Huang, X. L. Huang, X. T. Huang, X. Y. Huang, Y. Huang, Y. Y. Huang, A. Inventar, X. L. Ji, H. Y. Jia, K. Jia, H. B. Jiang, K. Jiang, X. W. Jiang, Z. J. Jiang, M. Jin, S. Kaci, M. M. Kang, I. Karpikov, D. Khangulyan, D. Kuleshov, K. Kurinov, Cheng Li, Cong Li, D. Li, F. Li, H. B. Li, H. C. Li, Jian Li, Jie Li, K. Li, L. Li, R. L. Li, S. D. Li, T. Y. Li, W. L. Li, X. R. Li, Xin Li, Y. Li, Zhe Li, Zhuo Li, E. W. Liang, Y. F. Liang, S. J. Lin, B. Liu, C. Liu, D. Liu, D. B. Liu, H. Liu, J. Liu, J. L. Liu, J. R. Liu, M. Y. Liu, R. Y. Liu, S. M. Liu, W. Liu, X. Liu, Y. Liu, Y. Liu, Y. N. Liu, Y. Q. Lou, Q. Luo, Y. Luo, H. K. Lv, B. Q. Ma, L. L. Ma, X. H. Ma, I. O. Maliy, J. R. Mao, Z. Min, W. Mitthumsiri, Y. Mizuno, G. B. Mou, A. Neronov, K. C. Y. Ng, M. Y. Ni, L. Nie, L. J. Ou, Z. W. Ou, P. Pattarakijwanich, Z. Y. Pei, D. Y. Peng, J. C. Qi, M. Y. Qi, J. J. Qin, D. Qu, A. Raza, C. Y. Ren, D. Ruffolo, A. Sáiz, D. Savchenko, D. Semikoz, L. Shao, O. Shchegolev, Y. Z. Shen, X. D. Sheng, Z. D. Shi, F. W. Shu, H. C. Song, Yu. V. Stenkin, V. Stepanov, Y. Su, D. X. Sun, H. Sun, J. X. Sun, Q. N. Sun, X. N. Sun, Z. B. Sun, N. H. Tabasam, J. Takata, P. H. T. Tam, H. B. Tan, Q. W. Tang, R. Tang, Z. B. Tang, W. W. Tian, C. N. Tong, L. H. Wan, C. Wang, D. H. Wang, G. W. Wang, H. G. Wang, J. C. Wang, K. Wang, Kai Wang, Kai Wang, L. P. Wang, L. Y. Wang, L. Y. Wang, R. Wang, W. Wang, X. G. Wang, X. J. Wang, X. Y. Wang, Y. Wang, Y. D. Wang, Z. H. Wang, Z. X. Wang, Zheng Wang, D. M. Wei, J. J. Wei, Y. J. Wei, T. Wen, S. S. Weng, C. Y. Wu, H. R. Wu, Q. W. Wu, S. Wu, X. F. Wu, Y. S. Wu, S. Q. Xi, J. Xia, J. J. Xia, G. M. Xiang, D. X. Xiao, G. Xiao, Y. F. Xiao, Y. L. Xin, H. D. Xing, Y. Xing, D. R. Xiong, B. N. Xu, C. Y. Xu, D. L. Xu, R. F. Xu, R. X. Xu, S. S. Xu, W. L. Xu, L. Xue, D. H. Yan, T. Yan, C. W. Yang, C. Y. Yang, F. F. Yang, L. L. Yang, M. J. Yang, R. Z. Yang, W. X. Yang, Z. H. Yang, Z. G. Yao, X. A. Ye, L. Q. Yin, N. Yin, X. H. You, Z. Y. You, Q. Yuan, H. Yue, H. D. Zeng, T. X. Zeng, W. Zeng, X. T. Zeng, M. Zha, B. B. Zhang, B. T. Zhang, C. Zhang, H. Zhang, H. M. Zhang, H. Y. Zhang, J. L. Zhang, J. Y. Zhang, Li Zhang, P. F. Zhang, R. Zhang, S. R. Zhang, S. S. Zhang, S. Y. Zhang, W. Zhang, W. Y. Zhang, X. Zhang, X. P. Zhang, Yi Zhang, Yong Zhang, Z. P. Zhang, J. Zhao, L. Zhao, L. Z. Zhao, S. P. Zhao, X. H. Zhao, Z. H. Zhao, F. Zheng, T. C. Zheng, B. Zhou, H. Zhou, J. N. Zhou, M. Zhou, P. Zhou, R. Zhou, X. X. Zhou, X. X. Zhou, B. Y. Zhu, C. G. Zhu, F. R. Zhu, H. Zhu, K. J. Zhu, Y. C. Zou, X. Zuo, J. S. Wang
TL;DR
This study reports the first detection of variable gamma rays up to $3.7$ PeV from Cygnus X-3 with the LHAASO array, revealing an intrinsic spectrum that hardens toward $\, ext{PeV}$ energies after correcting for absorption by the CMB and ISRF. The emission shows month-scale variability and hints of orbital modulation, implying production near the binary. The authors model the data with photomeson production in the inner jet via $p\gamma$ interactions with UV and X-ray photon fields, requiring protons to be accelerated to multi-PeV energies, while leptonic scenarios are disfavored by cooling and Hillas constraints. Collectively, the results establish Cygnus X-3 as a super‑PeVatron microquasar, with significant implications for jet physics and the capability of compact binaries to accelerate hadrons to extreme energies.
Abstract
We report the discovery of variable $γ$-rays up to petaelectronvolt from Cygnus X-3, an iconic X-ray binary. The $γ$-ray signal was detected with a statistical significance of approximately 10 $σ$ by the Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO). Its intrinsic spectral energy distribution (SED), extending from 0.06 to 3.7 PeV, shows a pronounced rise toward 1 PeV after accounting for absorption by the cosmic microwave background radiation. The detected month-scale variability,together with a 3.2$σ$ evidence for orbital modulation, suggests that the PeV $γ$-rays originate within, or in close proximity to, the binary system itself. The observed energy spectrum and temporal modulation can be naturally explained by $γ$-ray production through photomeson processes in the innermost region of the relativistic jet, where protons need to be accelerated to tens of PeV energies.
