Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.

Видеть с помощью гамма-лучей

К счастью для жизни на Земле, наша атмосфера блокирует гамма-лучи. Это частицы света с энергиями, более чем в миллион раз превышающими фотоны, которые мы обнаруживаем нашими глазами.

Поскольку обзор с уровня земли закрыт, ученые не имели ни малейшего представления о богатстве гамма-излучения неба, пока в космос не были запущены инструменты. Но, начиная со случайных открытий, сделанных спутниками Vela (выведенными на орбиту в 1960-х годах для контроля за запрещением ядерных испытаний), открывается все больше и больше этого богатства.

Современный гамма-инструмент, работающий сегодня, — это космический гамма-телескоп Ферми, крупная миссия НАСА на орбите более десяти лет. Способность Ферми различать мелкие детали и обнаруживать слабые источники раскрыла ряд сюрпризов о нашем Млечном Пути и более широком космосе.

Загадочные пузыри

Один из таких сюрпризов появился в 2010 году, вскоре после запуска Ферми: что-то в центре Млечного Пути выдувает что-то похожее на пару гигантских пузырей, излучающих гамма-излучение. Эти совершенно неожиданные «пузыри Ферми» полностью покрывают 10% неба.

Главным подозреваемым источником пузырей является сверхмассивная черная дыра в галактике. Этот бегемот, в 4 миллиона раз массивнее Солнца, скрывается в ядре галактики, в той области, из которой исходят пузыри.

Большинство галактик содержат такие гигантские черные дыры в своих центрах. В некоторых случаях эти черные дыры активно поглощают материю. Питаясь таким образом, они одновременно извергают гигантские вытекающие «струи», видимые в электромагнитном спектре.

Таким образом, вопрос, заданный исследователями после открытия пузырей: можем ли мы найти дымящийся пистолет, связывающий их со сверхмассивной черной дырой нашей галактики? Вскоре появились предварительные доказательства: внутри каждого пузыря был намек на тонкую струю гамма-излучения, направленную обратно к галактическому центру.

Однако со временем и новыми данными эта картина затуманилась. В то время как сходство со струей в одном из пузырей было подтверждено, видимая струя в другом, казалось, испарялась под пристальным вниманием.

Пузырьки выглядели странно перекошенными: в одном из них было продолговатое яркое пятно — «кокон», — которого не было в другом пузыре.

Кокон и откуда он берется

Наша недавняя работа в Nature Astronomy представляет собой глубокое исследование природы «кокона». Примечательно, что мы обнаружили, что эта структура не имеет ничего общего ни с пузырями Ферми, ни со сверхмассивной черной дырой в галактике.

Скорее, мы обнаружили, что кокон на самом деле представляет собой нечто совершенно другое: гамма-лучи от карликовой галактики Стрельца, которая находится за южным пузырем, если смотреть с Земли.

Карлик Стрельца, названный так потому, что его положение на небе находится в созвездии Стрельца, представляет собой галактику-спутник, вращающуюся вокруг Млечного Пути. Это остаток гораздо большей галактики, которую сильное гравитационное поле Млечного Пути буквально разорвало на части. Действительно, звезды, вытянутые из карлика Стрельца, можно найти в «хвостах», которые обвивают все небо.

Схема, показывающая Млечный Путь, излучающие гамма-излучение пузыри Ферми (розовый) и карликовую галактику Стрелец и ее хвосты (желтый/зеленый). С позиции солнца мы видим карлика Стрельца через южный пузырь Ферми. Авторы и права: Ая Цубои, Кавли ИПМУ, автор предоставлен

Что создает гамма-лучи?

В Млечном Пути основным источником гамма-лучей являются частицы высокой энергии, называемые космическими лучами, которые сталкиваются с очень разреженным газом между звездами.

Однако этот процесс не может объяснить гамма-лучи, испускаемые карликом Стрельца. Она давно потеряла свой газ из-за того же гравитационного воздействия, которое унесло так много ее звезд.

Так откуда же берутся гамма-лучи?

Мы рассмотрели несколько возможностей, в том числе захватывающую перспективу, что они являются сигнатурой темной материи, невидимой субстанции, известной только благодаря своим гравитационным эффектам, которая, по мнению астрономов, составляет большую часть Вселенной. К сожалению, форма кокона точно соответствует распределению видимых звезд, что исключает темную материю как источник.

Так или иначе, звезды были ответственны за гамма-лучи. И еще: звезды карлика Стрельца старые и безмолвные. Какой тип источника среди такого населения производит гамма-лучи?

Миллисекундные пульсары

Мы удовлетворены тем, что есть только одна возможность: быстро вращающиеся объекты, называемые «миллисекундными пульсарами». Это остатки определенных звезд, значительно более массивных, чем Солнце, которые также вращаются вокруг другой звезды.

При правильных обстоятельствах такие двойные системы производят нейтронную звезду — объект примерно такой же массы, как Солнце, но всего около 20 км в поперечнике, — который вращается сотни раз в секунду.

Из-за быстрого вращения и сильного магнитного поля эти нейтронные звезды действуют как естественные ускорители частиц: они запускают в космос частицы с чрезвычайно высокой энергией.

Затем эти частицы испускают гамма-лучи. Мы обнаружили, что миллисекундные пульсары в карлике Стрельца были основным источником загадочного кокона.

Охота на темную материю

Наши находки проливают новый свет — каламбур — на миллисекундные пульсары как источники гамма-лучей в других старых звездных системах.

В то же время они также омрачают усилия по поиску доказательств существования темной материи посредством наблюдений за другими галактиками-спутниками Млечного Пути; к сожалению, в этих системах существует более сильный «фон» гамма-лучей от миллисекундных пульсаров, чем предполагалось ранее.

Таким образом, любой сигнал, который они производят, нельзя однозначно интерпретировать как связанный с темной материей.

Охота за сигналами темной материи продолжается.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org