Околоземной микроквазар оказался источником мощного излучения

Источники высокоэнергетических космических лучей в окрестностях микроквазара V4641 Sag, слева — с энергиями выше тераэлектронвольта, справа — сотни тераэлектронвольт. Местоположение микроквазара отмечено желтой точкой. Автор: IFJ PAN / HAWC

Современная астрономия придерживается убеждения, что релятивистские истечения или струи, ответственные за существование электромагнитного излучения особенно высоких энергий, находятся в ядрах активных галактик, удаленных от Земли. Однако из последних данных обсерватории HAWC вырисовывается иная картина реальности: струи, запускаемые астрофизическими источниками с нашего собственного внутригалактического «заднего двора», также являются источниками гамма-фотонов чрезвычайно высокой энергии.

Электромагнитное излучение сверхвысоких энергий возникает не только в струях, выбрасываемых активными ядрами далеких галактик, но и в объектах, выбрасывающих струи, лежащих внутри Млечного Пути, называемых микроквазарами. Это последнее открытие ученых из международной Высокогорной черенковской гамма-обсерватории (HAWC) радикально меняет прежнее понимание механизмов, ответственных за формирование космического излучения сверхвысоких энергий, и на практике знаменует собой революцию в его дальнейшем изучении.

С момента открытия космического излучения Виктором Гессом в 1912 году астрономы считали, что небесные тела, ответственные в нашей галактике за ускорение этих частиц до высочайших энергий, представляют собой остатки гигантских взрывов сверхновых, называемые остатками сверхновых.

Однако из последних данных обсерватории HAWC вырисовывается иная картина: источниками излучения сверхвысоких энергий оказались микроквазары. Ключевую роль в открытии сыграли астрофизики из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Обсерватория HAWC была возведена на склоне вулкана Сьерра-Негра в Мексике с целью регистрации входящих частиц и фотонов из космоса с особенно высокими энергиями. Объект 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, движущаяся быстрее скорости света в воде.

Обычно HAWC захватывает гамма-фотоны с энергией от сотен гигаэлектронвольт до сотен тераэлектронвольт. Это энергии, которые в триллион раз превышают энергию фотонов видимого света и более чем в дюжину раз превышают энергию протонов, ускоренных на ускорителе Большого адронного коллайдера (БАК).

Сверхмассивные черные дыры внутри квазаров, т. е. активные ядра некоторых галактик (объекты с огромными массами, исчисляющиеся сотнями миллионов солнечных масс) ускоряют и поглощают материю из аккреционного диска, который их окружает. Во время 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 там производятся фотоны чрезвычайно высоких энергий, достигающих сотен тераэлектронвольт.

Расположенные в ядрах других галактик, квазары относятся к объектам, которые очень далеки от нас. Ближайший (Маркарян 231) находится в 600 миллионах световых лет от Земли. Это не относится к микроквазарам. Это компактные двойные системы, состоящие из массивной звезды и поглощающей ее материю черной дыры, которые испускают струи длиной в сотни световых лет. Только в нашей галактике на сегодняшний день обнаружено несколько десятков таких объектов.

«Фотоны, обнаруженные в микроквазарах, обычно имеют гораздо более низкую энергию, чем фотоны квазаров. Обычно речь идет о значениях порядка десятков гигаэлектронвольт. Между тем, мы наблюдали нечто совершенно невероятное в данных, зарегистрированных детекторами обсерватории HAWC: фотоны, исходящие из микроквазара, находящегося в нашей галактике, и при этом несущие энергию в десятки тысяч раз выше типичной», — говорит доктор Сабрина Казанова (IFJ PAN), которая вместе с доктором Сяоцзе Ваном из Мичиганского технологического университета и доктором Дэчжи Хуаном из Мэрилендского университета первой наблюдала аномалию.

Источником фотонов с энергией до 200 тераэлектронвольт оказался микроквазар V4641 Sagittarii (V4641 Sgr). Он находится на заднем плане созвездия Стрельца, на расстоянии около 20 000 световых лет от Земли. Главную роль здесь играет черная дыра с массой около шести солнечных масс, притягивающая к себе материю из звездного гиганта с массой в три раза больше массы Солнца. Объекты вращаются вокруг общего центра масс, совершая один оборот друг вокруг друга чуть менее чем за три дня.

Интересно, что струя, испускаемая системой V4641 Sgr, направлена в сторону Солнечной системы. В этой конфигурации наблюдатель с Земли имеет релятивистски искаженное восприятие времени материи в начале и конце струи: ее фронт начинает казаться моложе, чем он есть на самом деле. В результате струя, по-видимому, распространяется в пространстве со сверхсветовой скоростью, в данном случае в девять раз превышающей скорость света.

«Примечательно, что микроквазар V4641 Sgr оказался не уникальным. Чрезвычайно энергичные фотоны были обнаружены не только в нем, но и в других микроквазарах, обнаруженных обсерваторией LHAASO. Поэтому кажется вероятным, что микроквазары вносят значительный вклад в излучение космических лучей на самых высоких энергиях в нашей галактике», — добавляет доктор Казанова.

Последнее открытие представляет интерес не только для ученых, изучающих космические лучи. Оно доказывает, что на относительно небольшом расстоянии от Земли должны работать механизмы формирования струй и производства сверхэнергетических фотонов, аналогичные тем, что действуют в ядрах активных далеких галактик, масштабированные соответствующим образом по отношению к массе черной дыры. Эти процессы в микроквазарах происходят в гораздо более удобном для человека масштабе времени — в течение дней, а не сотен тысяч или миллионов лет.

Более того, фотоны, испускаемые микроквазарами, не должны прокладывать свой путь через миллионы световых лет космического вакуума, где они могут рассеиваться или поглощаться во время взаимодействия с фотонами вездесущего космического фонового излучения. Все это означает, что астрофизики впервые получили возможность проводить всесторонние и практически неискаженные наблюдения за процессами, имеющими решающее значение для эволюции галактик.

Больше информации: R. Alfaro et al, Ultra-high-energy gamma-ray bubble around microquasar V4641 Sgr, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07995-9

Источник: Polish Academy of Sciences