Стало известно, что микроквазары излучают невероятно высокоэнергетические фотоны, что опровергает старые теории о космическом излучении только от далеких квазаров и меняет наше представление о галактических явлениях.
Было обнаружено, что микроквазары в Млечном Пути, такие как V4641 Sagittarii, испускают фотоны с уровнем энергии, который ранее приписывался только далеким квазарам.
Это открытие, сделанное обсерваторией HAWC, указывает на то, что эти местные объекты могут вносить значительный вклад в космическое излучение, позволяя ближе познакомиться с механизмами, подобными тем, что действуют в активных галактических ядрах. Это меняет наше понимание и позволяет более четко и непосредственно изучать выбросы космических лучей и процессы формирования струй.
РЕВОЛЮЦИЯ В ИЗУЧЕНИИ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Электромагнитное излучение чрезвычайно высокой энергии исходит не только от струй из активных ядер далеких галактик, но и от струйных объектов внутри нашего Млечного Пути, известных как микроквазары. Это революционное открытие, сделанное учеными из международной Высотной водной черенковской гамма-обсерватории (HAWC), существенно меняет наше представление о том, как образуется космическое излучение сверхвысоких энергий, и знаменует собой серьезный сдвиг в изучении этих явлений.
С момента открытия космического излучения Виктором Гессом в 1912 году астрономы считали, что источниками, ускоряющими эти частицы до самых высоких энергий в нашей галактике, являются остатки массивных взрывов сверхновых, известные как остатки сверхновых. Однако новые данные, полученные обсерваторией HAWC, представляют другую точку зрения: в качестве источников этого чрезвычайно высокоэнергетического излучения теперь фигурируют микроквазары. Решающую роль в этом открытии сыграли астрофизики из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове, получившие грант от Национального научного центра.
Источники высокоэнергетических космических лучей в окрестностях микроквазара V4641 Sag, слева с энергией выше тераэлектронвольта, справа - сотни тераэлектронвольт. Расположение микроквазара отмечено желтой точкой.
ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В HAWC
Обсерватория HAWC была построена на склоне вулкана Сьерра-Негра в Мексике с целью регистрации приходящих из космоса частиц и фотонов с особенно высокими энергиями. Установка состоит из 300 стальных резервуаров с водой, оснащенных фотоумножителями, чувствительными к мимолетным вспышкам света, известным как черенковское излучение. Оно появляется в резервуаре, когда в него попадает частица, летящая в воде быстрее скорости света.
Обычно HAWC фиксирует гамма-фотоны с энергией от сотен гигаэлектронвольт до сотен тераэлектронвольт. Эти энергии в триллион раз превышают энергию фотонов видимого света и более чем в десятки раз - энергию протонов, ускоряемых на Большом адронном коллайдере (БАК).
РОЛЬ КВАЗАРОВ И МИКРОКВАЗАРОВ
Сверхмассивные черные дыры в квазарах, то есть активных ядрах некоторых галактик (объекты с огромной массой, исчисляемой сотнями миллионов солнечных масс), ускоряют и поглощают вещество из окружающего их аккреционного диска. В ходе этого процесса очень узкие и очень длинные потоки материи, называемые джетами, выбрасываются из окрестностей полюсов черной дыры в обоих направлениях вдоль ее оси вращения. Они движутся со скоростями, часто близкими к скорости света, что приводит к образованию ударных волн - и именно в них рождаются фотоны чрезвычайно высоких энергий, достигающих сотен тераэлектронвольт.
Расположенные в ядрах других галактик, квазары относятся к очень далеким от нас объектам: ближайший из них (Маркариан 231) находится на расстоянии six hundred миллионов световых лет от Земли. Иначе обстоит дело с микроквазарами. Это компактные бинарные системы, состоящие из массивной звезды и поглощающей ее материю черной дыры, которые испускают джеты длиной в сотни световых лет. Только в нашей галактике на данный момент обнаружено несколько десятков таких объектов.
БЕСПРЕЦЕДЕНТНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ МИКРОКВАЗАРОВ
«Фотоны, обнаруженные от микроквазаров, обычно имеют гораздо меньшую энергию, чем фотоны от квазаров. Обычно речь идет о величинах порядка десятков гигаэлектронвольт. Между тем в данных, записанных детекторами обсерватории HAWC, мы наблюдаем нечто совершенно невероятное: фотоны, исходящие от микроквазара, лежащего в нашей галактике, имеют энергию, в десятки тысяч раз превышающую типичную!» - говорит доктор Сабрина Казанова (IFJ PAN), которая вместе с доктором Сяоцзе Вангом из Мичиганского технологического университета и доктором Дежи Хуангом из Мэрилендского университета первой заметила эту аномалию.
Значение V4641 Sagittarii
Источником фотонов с энергией до двести тераэлектронвольт оказался микроквазар V4641 Sagittarii (V4641 Sgr). Он лежит на фоне созвездия Стрельца, на расстоянии около 20 000 световых лет от Земли. Главную роль здесь играет черная дыра с массой около шести солнечных масс, втягивающая в себя материю из звездного гиганта с массой, в три раза превышающей массу Солнца. Объекты вращаются вокруг общего центра масс, обращаясь друг к другу раз в три дня. Интересно, что джет, испускаемый системой V4641 Sgr, направлен в сторону Солнечной системы. В такой конфигурации земной наблюдатель релятивистски искажает восприятие времени материи в начале и конце струи: ее передний фронт кажется моложе, чем есть на самом деле. В результате кажется, что струя распространяется в пространстве со сверхсветовой скоростью, в данном случае в девять раз превышающей скорость света.
«Важно отметить, что микроквазар V4641 Sgr оказался не уникальным. Чрезвычайно энергичные фотоны обнаруживаются не только от него, но и от других микроквазаров, зафиксированных обсерваторией LHAASO. Поэтому кажется вероятным, что микроквазары вносят значительный вклад в излучение космических лучей с самыми высокими энергиями в нашей галактике», - добавляет доктор Казанова.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ: НОВАЯ ЭРА В АСТРОФИЗИКЕ
Последнее открытие представляет интерес не только для ученых, изучающих космические лучи. Оно доказывает, что на относительно небольшом расстоянии от Земли должны действовать механизмы формирования струй и производства ультраэнергетических фотонов, аналогичные тем, что происходят в ядрах активных далеких галактик, масштабированные соответствующим образом в зависимости от массы 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. Кроме того, фотонам, испускаемым микроквазарами, не нужно проделывать путь через миллионы световых лет космического вакуума, где они могут быть рассеяны или поглощены при взаимодействии с фотонами вездесущего космического фонового излучения.
Все это означает, что астрофизики впервые получили возможность всесторонне и практически без помех наблюдать за процессами, имеющими решающее значение для эволюции галактик.