Из нашей галактики исходит экстремальное гамма-излучение

В нашей галактике астрономы обнаружили один из самых мощных космических источников гамма-излучения. Удивительно, его источником является микроквазар: двойная система, состоящая из чёрной дыры и массивной звезды.

Фото: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gamma-ray_burst_buried_in_dust_(artist’s_impression)_(14215855707).jpg by European Southern Observatory

Никогда ранее не было зарегистрировано столь высокоэнергетическое излучение микроквазара — оно достигает энергий более 200 тераэлектронвольт. Это показывает, что микроквазары в Млечном Пути производят гораздо более резкие космические лучи, чем считалось ранее, сообщают исследователи на страницах журнала Nature.

Чрезвычайно коротковолновое гамма-излучение является наиболее энергичной формой электромагнитного излучения. Оно возникает, когда чрезвычайно ускоренные частицы тормозятся внешними воздействиями и выделяют свою избыточную энергию в виде излучения. Наиболее распространенной причиной кратковременных гамма-всплесков являются сверхновые массивных звёзд, испускающие излучение мощностью до 20 тераэлектронвольт. Некоторые пульсары также производят струи в этом диапазоне энергий.

Самыми сильными источниками космического гамма-излучения являются квазары — активно пожирающие материю сверхмассивные чёрные дыры в сердце далеких галактик. Интенсивные конусы излучения этих активных галактических ядер простираются в космос на миллиарды световых лет.

Однако и в нашей галактике есть источники гамма-излучения, которые мало чем уступают далёким квазарам. Астрономы из коллаборации HAWC под руководством Рубена Альфаро (Ruben Alfaro) из Автономного национального университета Мексики обнаружили это с помощью Высотной водяной Черенковской гамма-обсерватории (High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory, HAWC), расположенной на склонах вулкана Сьерра-Негра в мексиканском штате Пуэбла. Этот объект состоит из 300 резервуаров с водой, в которых фотосенсоры улавливают крошечные вспышки света, которые производят космические лучи высокой энергии, когда они сталкиваются с атомами.

Оценивая данные HAWC с 2015 по 2022 год, астрономы обнаружили необычный избыток гамма-излучения чрезвычайно высокой энергии. Как сообщает команда, он достиг энергии до 217 тераэлектрон-вольт и четко выделялся на обычном фоне космических лучей. Обычно такие высокоэнергетические гамма-лучи исходят от далеких квазаров, но с этим источником все было иначе. Коллеги Альфаро не смогли обнаружить внегалактический источник, вместо этого они напали на нечто удивительное.

"Гамма-фотоны исходят от микроквазара в нашей галактике — это довольно невероятно", — утверждает соавтор исследования Сабрина Казанова (Sabrina Casanova) из института ядерной физики в Кракове.

Микроквазары состоят из чёрной дыры или нейтронной звезды, которая высасывает вещество из звезды-партнера, создавая струи ускоренных частиц. Эти струи часто испускают высокоэнергетическое рентгеновское и гамма-излучение.

"Обычно гамма-лучи микроквазаров имеют энергию в диапазоне нескольких гигаэлектронвольт, но эти в десятки тысяч раз более энергичны", — объясняет Казанова.

Микроквазар V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), идентифицированный как источник, расположен на расстоянии около 20 000 световых лет от нас и состоит из звёздной чёрной дыры массой около шести солнечных и звезды массой около трёх солнечных. Оба вращаются друг вокруг друга по близкой орбите с периодом обращения менее трёх дней. Струя, создаваемая этой двойной системой, направлена ​​в сторону Солнечной системы, так что её гамма-лучи попадают на Землю.

Дальнейший анализ показал, что V4641 Sgr превосходит даже самый сильный из известных микроквазаров Млечного Пути, SS 433, как минимум в десять раз.

"Чрезвычайно жёсткий спектр делает V4641 Sgr одним из самых жёстких (самых высоких энергий) источников излучения высокой энергии, когда-либо измеренных", — признаётся команда Альфаро.

Астрономы подозревают, что возможной причиной необычно высоких энергий гамма-лучей являются высокоускоренные протоны.

Теоретически быстрые электроны также могут испускать гамма-лучи при замедлении, но этот процесс не будет достаточно энергичным для наблюдаемых здесь интенсивностей излучения.

По мнению астрономов, нынешнее открытие предполагает, что микроквазары в нашем Млечном Пути могут быть более мощными источниками радиации, чем считалось ранее.

"V4641 Sagittarii, вероятно, не единственный. Обсерватории также обнаружили фотоны чрезвычайно высоких энергий от других микроквазаров, — говорит Казанова. — Поэтому вполне вероятно, что микроквазары вносят больший вклад в самую высокоэнергетическую часть космических лучей, чем считалось ранее".

В то же время источники излучения, такие как V4641 Sgr, дают астрономам возможность поближе взглянуть на механизмы, посредством которых в космосе генерируется гамма-излучение в тераэлектронвольтном диапазоне. В отличие от далёких квазаров, микроквазары находятся по соседству с нашим космическим пространством и, следовательно, в пределах досягаемости телескопов и других измерительных инструментов.

Уточнения

Микроквазары (рентгеновские двойные звезды) — это двойные звёздные системы, в которых остаток первой звезды, сжатый в тёмный компактный объект (такой как нейтронная звезда или чёрная дыра), гравитационно связан со второй обычной звездой, которая движется по тесной орбите вокруг первого компонента.

Электро̀нво́льт (электрон-вольт, редко электроновольт; русское обозначение: эВ, международное: eV) — внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике, в физике элементарных частиц и в близких и родственных областях науки (биофизике, физической химии, астрофизике и т. п.). 

Пуэ́бла (исп. Puebla); полное наименование Свободный и Суверенный Штат Пуэбла (исп. Estado Libre y Soberano de Puebla) — одна из 32 федеральных единиц (штат) Мексики.