Писатель-фантаст Артур Кларк выбрал семь чудес света для телесериала BBC в 1997 году. Единственным астрономическим объектом, который он включил, был SS 433. Он привлек внимание уже в конце 1970-х годов из-за своего рентгеновского излучения. Позже было обнаружено, что он находится в центре газовой туманности, получившей название туманности ламантина из-за своей уникальной формы, напоминающей этих водных млекопитающих.
SS 433 — двойная звездная система, в которой черная дыра с массой, примерно в десять раз превышающей солнечную, и звезда с аналогичной массой, но занимающая гораздо больший объем, вращаются вокруг друг друга с периодом 13 дней.
Интенсивное гравитационное поле черной дыры отрывает материал с поверхности звезды, который накапливается в горячем газовом диске, питающем черную дыру. Когда вещество падает в сторону черной дыры, две коллимированные струи заряженных частиц (плазмы) выбрасываются перпендикулярно плоскости диска со скоростью, равной четверти скорости света.
Джеты SS433 можно обнаружить в радио- и рентгеновском диапазонах на расстоянии менее одного светового года по обе стороны от центральной двойной звезды, прежде чем они станут слишком тусклыми, чтобы их можно было увидеть. Однако, что удивительно, на расстоянии около 75 световых лет от места запуска струи внезапно вновь появляются как яркие источники рентгеновского излучения. Причины этого повторного появления долгое время были плохо изучены.
Подобные релятивистские джеты наблюдаются и из центров активных галактик (например, квазаров), хотя эти джеты по размерам значительно превосходят галактические струи SS 433. По этой аналогии объекты типа SS 433 классифицируются как микроквазары.
До недавнего времени гамма-излучение микроквазара не было обнаружено. Но ситуация изменилась в 2018 году, когда Высотной Водной Черенковской гамма-обсерватории (HAWC) впервые удалось зарегистрировать гамма-лучи очень высокой энергии от струй SS 433. Это означает, что где-то в струях частицы ускоряются до экстремальных энергий.
Несмотря на десятилетия исследований, до сих пор неясно, как и где частицы ускоряются в астрофизических струях.
Изучение гамма-излучения микроквазаров дает одно решающее преимущество: хотя джеты SS 433 в 50 раз меньше, чем у ближайшей активной галактики (Центавр А), SS 433 расположена внутри Млечного Пути в тысячу раз ближе к Земле. . Как следствие, видимый размер джетов SS 433 на небе намного больше, и, следовательно, их свойства легче изучать с помощью гамма-телескопов нынешнего поколения.
Составные изображения SS 433, показывающие три различных диапазона энергии гамма-излучения. На радионаблюдениях зеленым цветом показана туманность Ламантина, а микроквазар виден в виде яркой точки в центре изображения. Сплошными линиями показаны контуры рентгеновского излучения из центральных областей и крупномасштабных струй после их повторного появления. Красные цвета представляют собой гамма-излучение, обнаруженное HESS при а) низких (0,8–2,5 ТэВ, слева), б) промежуточных (2,5–10 ТэВ, в центре) и в) высоких (> 10 ТэВ, справа) энергиях. Положение гамма-излучения смещается дальше от центральной стартовой площадки по мере уменьшения энергии. Авторы и права: Справочная информация: NRAO/AUI/NSF, К. Голап, М. Госс; НАСА’s Wide Field Survey Explorer (WISE); Рентгеновский снимок (зеленые контуры): ROSAT/M. Бринкманн; ТэВ (красный цвет): сотрудничество HESS.По инициативе обнаружения HAWC обсерватория HESS начала кампанию по наблюдению за системой SS 433. В результате этой кампании было собрано около 200 часов данных и четко обнаружено гамма-излучение самолетов SS 433.
Превосходное угловое разрешение телескопов HESS по сравнению с более ранними измерениями позволило исследователям впервые точно определить происхождение гамма-излучения внутри джетов, получив интригующие результаты:
Хотя гамма-излучение из центральной области двойной звезды не обнаружено, излучение внезапно появляется во внешних джетах на расстоянии около 75 световых лет по обе стороны от двойной звезды, в соответствии с предыдущими рентгеновскими наблюдениями.
Однако больше всего астрономов удивило смещение положения гамма-излучения при наблюдении при разных энергиях.
Гамма-фотоны с самой высокой энергией (более 10 тераэлектронвольт) обнаруживаются только в той точке, где струи внезапно появляются снова. Напротив, области, испускающие гамма-лучи с более низкими энергиями, появляются дальше вдоль каждой струи.
«Это первое в истории наблюдение энергозависимой морфологии гамма-излучения астрофизической струи», — сказала Лаура Оливера-Ньето из Института Кернфизики Макса Планка в Гейдельберге, которая возглавляла исследование HESS. SS 433 в рамках ее докторской диссертации.
«Поначалу мы были озадачены этими открытиями. Концентрация фотонов такой высокой энергии в местах рентгеновских струй’ повторное появление означает, что там должно происходить эффективное ускорение частиц, чего не ожидали». Результаты были опубликованы в журнале Science.
Ученые смоделировали наблюдаемую энергетическую зависимость излучения гамма-лучей и смогли впервые в истории оценить скорость внешних струй. Разница между этой скоростью и той, с которой вылетают струи, позволяет предположить, что механизм, ускоряющий частицы дальше, — это сильный удар — резкий переход свойств среды.
Наличие ударной волны также могло бы служить естественным объяснением повторного появления джетов в рентгеновских лучах, поскольку ускоренные электроны также производят рентгеновское излучение.
«Когда эти быстрые частицы затем сталкиваются с легкой частицей (фотоном), они передают часть своей энергии — именно так они производят высокоэнергетические гамма-фотоны, наблюдаемые с помощью HESS. Этот процесс называется обратным эффектом Комптона», — объясняет Брайан Ревилл, руководитель группы астрофизической теории плазмы в Институте ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге.
«Было много предположений о возникновении ускорения частиц в этой уникальной системе, но уже нет: результат HESS действительно определяет место ускорения, природу ускоренных частиц и позволяет нам исследовать движение частиц. крупномасштабные струи, запускаемые черной дырой», — отмечает Джим Хинтон, директор Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге и руководитель отдела нетепловой астрофизики.
«Всего несколько лет назад было немыслимо, чтобы наземные измерения гамма-излучения могли предоставить информацию о внутренней динамике такой системы», — добавляет соавтор Мишель Циру, постдокторант из DESY Zeuthen.
Однако о происхождении толчков в местах повторного появления струи ничего не известно. «Мы до сих пор не’У меня нет модели, которая могла бы единообразно объяснить все свойства струи, поскольку ни одна модель еще не предсказала эту особенность», — объясняет Оливера-Ньето.
В следующий раз она хочет посвятить себя этой задаче — цель достойная, поскольку относительная близость SS 433 к Земле дает уникальную возможность изучить возникновение ускорения частиц в релятивистских джетах. Есть надежда, что результаты можно будет перенести на струи активных галактик и квазаров, в тысячи раз большие, что поможет решить многие загадки происхождения самых энергичных космических лучей.
Обсерватория HESS
Гамма-лучи высокой энергии можно наблюдать с земли только с помощью трюка. Когда гамма-лучи попадают в атмосферу, они сталкиваются с атомами и молекулами и порождают новые частицы, которые лавиной устремляются к земле. Эти частицы испускают вспышки длительностью всего несколько миллиардных долей секунды (черенковское излучение), которые можно наблюдать в специально оборудованные большие телескопы на земле.
Поэтому гамма-астрономия высоких энергий использует атмосферу как гигантский флуоресцентный экран. Обсерватория HESS, расположенная в высокогорье Хомас в Намибии на высоте 1835 м, официально вступила в эксплуатацию в 2002 году. Она состоит из пяти телескопов.
Четыре телескопа с диаметром зеркал 12 м расположены по углам квадрата, еще один 28-метровый телескоп — в центре. Это позволяет регистрировать космическое гамма-излучение в диапазоне от нескольких десятков гигаэлектронвольт (ГэВ, 109 электронвольт) до нескольких десятков тераэлектронвольт (ТэВ, 1012 электронвольт).
Для сравнения: частицы видимого света имеют энергию от двух до трех электронвольт. HESS в настоящее время является единственным инструментом, который наблюдает за южным небом в высокоэнергетическом гамма-излучении, а также является крупнейшей и самой чувствительной системой телескопов в своем роде.
Информация от: Обществом Макса Планка
