Кейсы 6 сентября 2022

Карликовая галактика и волны гамма-излучения: что известно о пузырях Ферми

Далее

Пузыри Ферми — одна из самых необычных структур Млечного Пути. Гигантские волны плазмы, вырывающиеся на тысячи световых лет вверх и вниз, порождают мощное гамма-излучение. «Хайтек» рассказывает, что известно об этом явлении и что скрывалось прямо за ним.

К счастью для жизни на Земле, атмосфера планеты блокирует большую часть опасного гамма-излучения. Но из-за этого долгие годы ученые не представляли, как удивительно светится космос в этом спектре. Запуск в 2008 году космического гамма-телескопа «Ферми» привел ко множеству удивительных открытий. Одним из них стало обнаружение в 2010 году огромных «шаров» гамма-излучения, протянувшихся на 50 тыс. световых лет от центра Млечного Пути.

Эту находку назвали пузырями Ферми. Хотя природа этого явления до сих пор остается загадкой, ученые полагают, что они связаны со сверхмассивной черной дырой, расположенной в центре Галактики. Но новое исследование показывает, что это не совсем так.

Как исследуют космическое гамма-излучение?

Вселенная является домом для множества экзотических и красивых явлений, некоторые из которых могут генерировать почти невообразимое количество энергии. Сверхмассивные черные дыры, слияние нейтронных звезд, потоки горячего газа, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. Все это лишь некоторые примеры событий, генерирующих поток гамма-излучения.

Напомним, гамма-излучение — это самая энергетическая форма электромагнитного излучения. Она отличается самой короткой длиной волны (менее 2⋅10−10 м) и представляет собой поток высокоэнергичных фотонов. Такое излучение обладает ионизирующими свойствами, то есть оно может превращать атомы в заряженные ионы.

Поскольку обзор с уровня земли закрыт, ученые не имели ни малейшего представления о богатстве гамма-излучения неба, пока в космос не были запущены исследовательские инструменты. Первые случайные наблюдения сделали спутники группы Vela, запущенные в 1960-х годах для контроля за запрещенными ядерными испытаниями. 

Художественная иллюстрация спутника Vela на орбите Земли. Изображение: Public Domain, Link

2 июля 1967 года детекторы спутников Vela 4 и Vela 3 зафиксировали первую вспышку гамма-излучения, не похожую ни на одну из известных сигнатур, связанных с оружием. Дальнейший анализ показал, что она не имеет отношения к Земле и испытаниям атомной бомбы.

Полноценное исследование гамма-излучения в космосе началось с запуска космического телескопа «Ферми» в 2008 году. Устройство состоит из монитора гамма-всплесков и широкого телескопа. «Ферми» использует сцинтилляторы, то есть вещества, способные светиться при поглощении ионизирующего излучения. Свет от таких датчиков, улавливается фотодетектором, что позволяет зафиксировать мощность излучения. Сцинтилляторы телескопа находятся по бокам космического корабля, чтобы видеть все небо, не закрытое Землей.

Телескоп большой площади (LAT) обнаруживает отдельные гамма-лучи, используя технологию, аналогичную наземным ускорителям частиц. Фотоны ударяются о тонкие металлические листы, превращаясь в электронно-позитронные пары. Эти заряженные частицы проходят через чередующиеся слои кремниевых микрополосковых детекторов, вызывая ионизацию, которая производит обнаруживаемые крошечные импульсы электрического заряда.

За годы работы «Ферми» сделал множество удивительных открытий. Например, он первым обнаружил пульсар, который излучает только гамма-излучение, узнал, что остатки сверхновой действуют, как гигантский ускоритель частиц, и наблюдал вспышки гамма-излучения во время грозы на Земле. Но самое удивительное открытие — это пузыри Ферми.

Художественная иллюстрация телескопа «Ферми». Изображение: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

Чем больше исследований, тем больше загадок

В ноябре 2010 года исследователи объявили, что по обеим сторонам ядра Млечного Пути были обнаружены две большие эллиптические структуры из энергичной плазмы, которые излучают гамма- и рентгеновские волны. Эти структуры, которые получили название пузырей Ферми, простираются на 25 тыс. световых лет вверх и вниз от галактического центра. Для сравнения расстояние от него до Солнца составляет около 26 тыс. световых лет.

Художественная иллюстрация пузырей Ферми. Видео: НАСА

Фоновое гамма-излучение, рассеянное в галактике и окружающем космосе, мешало предыдущему обнаружению этих необычных гигантских структур. Но мощность телескопа «Ферми» и развитие технологии преодолело эту проблему.

Исследователи полагают, что источником пузырей является сверхмассивная черная дыра в галактике. Более того, они должны быть связаны между собой через нее. Наиболее популярная гипотеза предполагает, что черная дыра активно поглощает материю, выбрасывая гигантские струи плазмы, видимые в электромагнитном спектре. Подобные источники, были ранее обнаружены в других галактиках.

Данные наблюдений за пузырями Ферми. Видео: НАСА

Чтобы подтвердить эту теорию, ученые искали такие «дымоходы» — столбчатые струи плазмы, перпендикулярные плоскости галактики. Вскоре нечто похожее удалось заметить, а позже и измерить внутри пузырей Ферми.

Дальнейшие исследования, впрочем, поставили новые вопросы. Оказалось, что пузыри не выглядят симметрично, как предполагала теория. В то время как в одном из них прослеживалось четкое изображение «дымохода», в другом — в процессе измерений он начал исчезать. Кроме того, в одном из них было обнаружено странное яркое пятно «кокон», который никак не удавалось объяснить.

Таинственная природа «кокона»

Исследуя лепестки пузырьков Ферми, исследователи обнаружили, что они покрыты несколькими загадочными структурами, состоящими из очень яркого и выделяющегося гамма-излучения. Одно из самых ярких пятен было обнаружено в южной доле и получило название кокона Ферми.

Кокон Ферми. Изображение: Kavli IPMU

В работе, недавно опубликованной в журнале Nature Astronomy, исследователи сообщили, что им удалось определить природу этого кокона. В своей работе ученые проанализировали данные космических телескопов GAIA и Fermi, чтобы показать, что кокон Ферми на самом деле возникает из-за излучения карликовой эллиптической галактики в Стрельце (SagDEG).

Эта галактика-спутник Млечного Пути видна при наблюдении с Земли через пузыри Ферми. Из-за своей узкой орбиты во время вращения вокруг нашей Галактики она потеряла большую часть своего межзвездного газа, а многие из ее звезд были вырваны из звездного диска и вытянуты в потоки, тянущиеся следом за SagDEG.

Расположение Солнца и Карликовой эллиптической галактики в Стрельце. Изображение: Kavli IPMU

Эта галактика фактически лишена материала для звездообразования и активных процессов. Однако в ней все же могут скрываться источники гамма-излучения. В своей работе астрофизики показали, что таинственное свечение кокона Ферми можно объяснить множеством миллисекундных пульсаров, расположенных в галактике SagDEG.

Миллисекундные пульсары — это остатки определенных типов звезд, значительно более массивных, чем Солнце, которые находятся в тесных двойных системах. Под действием экстремального вращения они выбрасывают в космос ускоренные частицы. Электроны, выпущенные миллисекундными пульсарами, сталкиваются с низкоэнергетическими фотонами космического микроволнового фона, толкая их к высокоэнергетическому гамма-излучению.


Хотя исследователям и удалось объяснить отдельный эффект, связанный с пузырями Ферми, комплексная природа этого явления и в целом гамма-излучения космоса остается загадкой. Хотя долгое время считалось, что активные ядра галактик являются основным источником гамма-излучения, сегодня известно, что это не так.

Одна из альтернативных гипотез предполагает, что неизвестное взаимодействие темной материи может формировать большую часть такого излучения. Узнать это ученые смогут в новых экспериментах и возможно дополнительные подсказки содержат загадочные пузыри Ферми.


Читать далее:

НАСА показало, как выглядит будущее Солнечной системы

Физики охладили атомы до рекордной температуры. Они в миллиарды раз холоднее космоса

Исследователи объяснили, почему Индия и Азия столкнулись очень быстро

Изображение на обложке: NASA/GSFC/DOE/Fermi LAT/D.Finkbeiner et al.