Построена гипотеза формирования высокоэнергичных космических лучей
1.03.2012
Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Университета Гонконга (Китай) и Института астрономии Национального центрального университета Тайваня построили модель, которая объясняет появление обнаруженных в 2010 году Ферми-пузырей и "колено" в спектре космических лучей.
Признаки того, что над центром нашей галактики есть нечто необычное, учёные заметили уже давно. Неоднородности в этом районе "видел" немецкий спутник ROSAT, а также аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) NASA. В 2010 году американские специалисты, рассмотрев эту область в гамма-диапазоне с помощью телескопа "Ферми", обнаружили гигантские фигуры в виде пузырей, симметрично "приклеенные" к чёрной дыре в центре нашей Галактики. В честь спутника, образования были названы Ферми-пузырями. Протяжённая структура возвышается над центром Галактики на 8 килопарсек, что равно расстоянию от Земли до центра Млечного пути, и насчитывает в диаметре около 6 килопарсек. Так же симметрично простирается вниз от центра Галактики второй "пузырь".
Графическая визуализация Ферми-пузырей, обнаруженных гамма-телескопом "Ферми" (иллюстрация NASA's Goddard Space Flight Center).
Модель, которую учёные ФИАНа разработали вместе со своими азиатскими коллегами, позволяет найти ответы сразу на два вопроса современной астрофизики. В первую очередь, она объясняет происхождение пузырей Ферми. Согласно ей, загадочные структуры образованы ударными волнами, возникшими из-за былой активности сверхмассивной чёрной дыры, находящейся в центре Млечного пути. Когда звезда подходит близко к такой чёрной дыре, она (звезда) разрушается приливными силами и "захватывается". В результате черная дыра становится активным ядром Галактики, ярким в гамма- и рентгеновском диапазоне. Высвобождающаяся после захвата вещества энергия нагревает газ вокруг чёрной дыры и порождает ударные волны, а наблюдаемое в виде "пузырей Ферми" излучение в рамках предложенной модели образовано электронами, ускоренными на этих ударных волнах.
Помимо происхождения Ферми-пузырей, предложенная модель также объясняет эффект, наблюдаемый в спектре космических лучей, долетающих до Земли. С точки зрения энергии частицы космических лучей "распределяются" неравномерно - сначала их спектр идёт ровно, но в районе 1015эВ и 1018эВ "ломается". Первый излом, из-за внешнего сходства со строением нижней конечности, называется "коленом"; однозначно принятого объяснения ему нет. Второй излом, в соответствии с той же логикой, называется "лодыжкой". Предполагается, что частицы в диапазоне энергий выше "лодыжки" ускорены внегалактическими источниками.
Распределение космических лучей по энергиям (иллюстрация авторов работы)
Согласно наиболее признанной теории, ускорение частиц (в частности, протонов) с энергией ниже первого излома спектральной кривой происходит из-за взрывов сверхновых. Поясняет участник группы, молодой научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Дмитрий Чернышов: "Когда вспыхивает сверхновая, она выбрасывает огромное количество энергии в виде быстро движущегося газа и формирует вокруг себя ударную волну. Ударная волна ускоряет частицы и, поскольку сверхновые в нашей Галактике вспыхивают достаточно часто, то частицы могут заполнить галактическое пространство космическими лучами с той плотностью, которую мы наблюдаем у Земли. Однако при рассмотрении лучей, энергия которых находится на графике выше "колена", возникают некоторые трудности, поскольку, чем больше энергия частицы, тем более долгим должен быть процесс ускорения. В связи с этим сверхновые в качестве ускорителей частиц очень больших энергий не годятся - с одной стороны, ударная волна от сверхновых очень быстро рассеивается, а с другой - радиус этой ударной волны недостаточно большой, чтобы удержать частицы такой энергии внутри".
Таким образом, сверхновые могут заполнить межзвездную среду лишь частицами с энергиями не выше колена; следовательно, "ускорителем" до более высоких энергий должен служить другой космический объект. Для этой роли хорошо подходят Ферми-пузыри: ударные волны, создающие их, вполне способны ускорять не только электроны, но и более тяжелые протоны, которые достигают Земли в составе космических лучей.
Ответить с цитированием