Источники космических лучей высоких энергий вблизи микроквазара V4641 Sag, слева с энергиями выше тераэлектронвольта, справа – сотни тераэлектронвольт. Местоположение микроквазара отмечено желтой точкой. Фото предоставлено: IFJ PAN/HAWC
Современная астрономия придерживается предположения, что релятивистские истечения или джеты, ответственные за существование особо высокоэнергетического электромагнитного излучения, расположены в ядрах активных галактик вдали от Земли. Однако последние данные обсерватории HAWC показывают иную картину реальности: джеты, запускаемые астрофизическими источниками с нашего собственного внутригалактического «заднего двора», также являются источниками гамма-фотонов чрезвычайно высоких энергий.
Электромагнитное излучение чрезвычайно высокой энергии генерируется не только в джетах, испускаемых активными ядрами далеких галактик, но и в струйных объектах внутри Млечного Пути, называемых микроквазарами. Это последнее открытие ученых международной Высотной водной Черенковской гамма-обсерватории (HAWC) радикально меняет нынешние представления о механизмах, ответственных за генерацию космических лучей сверхвысоких энергий, и на практике представляет собой революцию в дальнейших исследованиях. изучать.
С момента открытия Виктором Гессом космических лучей в 1912 году астрономы считали, что небесные тела, ответственные за ускорение этих частиц до самых высоких энергий в нашей галактике, являются остатками гигантских взрывов сверхновых, так называемыми остатками сверхновых.
Однако из последних данных обсерватории HAWC складывается иная картина: источниками излучения чрезвычайно высоких энергий являются микроквазары. Ключевую роль в открытии сыграли астрофизики из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
Обсерватория HAWC была построена на склоне вулкана Сьерра-Негра в Мексике с целью регистрации приходящих из космоса частиц и фотонов при особо высоких энергиях. Объект состоит из 300 стальных резервуаров для воды, оснащенных фотоумножителями, которые реагируют на мимолетные вспышки света, известные как черенковское излучение. Это происходит в резервуаре, когда в него попадает частица, движущаяся быстрее скорости света в воде.
Обычно HAWC захватывает гамма-фотоны с энергией от сотен гигаэлектронвольт до сотен тераэлектронвольт. Это энергии, которые до триллиона раз превышают энергию фотонов видимого света и более чем в десяток раз превышают энергию протонов, ускоренных на ускорителе Большого адронного коллайдера (БАК).
Сверхмассивные черные дыры в квазарах, то есть активных ядрах некоторых галактик (объекты с огромными массами, достигающими нескольких сотен миллионов солнечных масс), ускоряют и поглощают вещество из окружающего аккреционного диска. В этом процессе очень узкие и очень длинные потоки материи, называемые джетами, выбрасываются вблизи полюсов черной дыры в обоих направлениях вдоль оси ее вращения. Они движутся со скоростью, часто близкой к скорости света, что приводит к возникновению ударных волн — и там генерируются фотоны чрезвычайно высокой энергии, которая может достигать сотен тераэлектронвольт.
Квазары расположены в ядрах других галактик и относятся к числу объектов, находящихся очень далеко от нас. Ближайшая из них (Маркарян 231) находится на расстоянии 600 миллионов световых лет от Земли. В случае с микроквазарами дело обстоит иначе. Это компактные двойные звездные системы, состоящие из массивной звезды и поглощающей ее материал черной дыры, испускающие джеты длиной в сотни световых лет. На данный момент только в нашей галактике обнаружено несколько десятков таких объектов.
«Фотоны, обнаруженные микроквазарами, обычно имеют гораздо более низкую энергию, чем фотоны квазаров. Обычно речь идет о значениях порядка десятков гигаэлектронвольт. «Теперь мы наблюдали нечто совершенно невероятное в данных, записанных детекторами обсерватории HAWC: фотоны, исходящие от микроквазара, расположенного в нашей галактике, и все же несущие энергию в десятки тысяч раз выше, чем обычно», — говорит доктор. Сабрина Казанова (IFJ PAN), которая вместе с Dr. Сяоцзе Ван из Мичиганского технологического университета и доктор. Дежи Хуанг из Университета Мэриленда был первым, кто наблюдал аномалию.
Микроквазар V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) оказался источником фотонов с энергией до 200 тераэлектронвольт. Она находится на заднем плане созвездия Стрельца, примерно в 20 000 световых годах от Земли. Главную роль играет черная дыра с массой около шести солнечных масс, которая притягивает вещество от звезды-гиганта с массой в три раза большей солнечной. Объекты вращаются вокруг общего центра масс и совершают обороты вокруг друг друга примерно раз в три дня.
Интересно, что луч, излучаемый системой V4641 Sgr, направлен в сторону Солнечной системы. В такой конфигурации у земного наблюдателя возникает релятивистски искаженное восприятие времени материи в начале и в конце струи: ее фронт начинает казаться моложе, чем есть на самом деле. В результате кажется, что струя распространяется в пространстве со скоростью, превышающей скорость света, в данном случае даже в девять раз превышающую скорость света.
«Примечательно, что микроквазар V4641 Sgr оказался не единичным случаем. Фотоны чрезвычайно высоких энергий сейчас регистрируются не только от этого микроквазара, но и от других микроквазаров, открытых обсерваторией LHAASO. Поэтому вполне вероятно, что микроквазары вносят значительный вклад в космические лучи — самые высокие энергии в нашей галактике», — добавляет доктор. Казанова добавил.
Последнее открытие представляет интерес не только для ученых, занимающихся космическими лучами. Это доказывает, что на относительно близких расстояниях от Земли должны действовать механизмы формирования джетов и производства ультраэнергетических фотонов, аналогичные механизмам в ядрах активных далеких галактик, масштабируемых в соответствии с массой черной дыры. Эти процессы в микроквазарах происходят в гораздо более удобном для человека временном масштабе — в течение нескольких дней, а не сотен тысяч или миллионов лет.
Более того, фотонам, излучаемым микроквазарами, не приходится преодолевать миллионы световых лет космического вакуума, где они могут рассеиваться или поглощаться при взаимодействии с фотонами вездесущего космического фонового излучения. Все это означает, что астрофизики впервые смогут проводить комплексные и практически спокойные наблюдения за процессами, имеющими решающее значение для эволюции галактик.
Информация от: Польской академией наук
