Предложено новое объяснение происхождения «пузырей Ферми» и «колена» в спектре космических лучей

Предложено новое объяснение происхождения «пузырей Ферми» и «колена» в спектре космических лучей

 Текст: Илья Кузичев

Международной группе учёных из России, Китая и Тайваня удалось создать теоретическую модель, объясняющую сразу две загадки последних астрономических наблюдений.

Пузыри Ферми «глазами» космического гамма-телескопа «Ферми» (иллюстрация NASA's Goddard Space Flight Center).

В 2010 году астрономы, анализируя данные космического гамма-телескопа «Ферми», обнаружили две гигантские области гамма-излучения, растянувшиеся из галактического центра более чем на 20 тысяч световых лет над и под плоскостью нашей Галактики. Учёные назвали эти области, напоминающие воздушные шарики, «пузырями Ферми». Научное сообщество предложило несколько теорий, объясняющих происхождение пузырей Ферми, однако ни одна не была достаточно убедительной.

Недавно международная группа во главе с профессором Ченгом (Kwong Sang Cheng) из Университета Гонкога (Китай) опубликовала в Astrophysical Journal Letters статью, в которой предложила исчерпывающую модель образования этих структур. По её теории, пузыри формируются ударными волнами, которые ускоряют электроны до гигантских энергий (<5•10¹³ эВ). Ускоренные электроны передают свою энергию реликтовым фотонам в процессе обратного комптоновского рассеяния, что и порождает гамма-излучение.

Впрочем, остаётся вопрос, откуда берутся ударные волны. Их причина, утверждают авторы, лежит в самом сердце нашей галактики: это сверхмассивная чёрная дыра (СМЧД) Стрелец А^*. Примерно раз в десять тысяч лет приливные силы СМЧД разрушают какую-нибудь несчастную звезду, оказавшуюся поблизости; при этом высвобождается огромная энергия, около 10⁵² эрг, в виде протонов с энергией в 100 МэВ, нагревающих газ около СМЧД до температуры в 10 кэВ. Нагревание приводит к формированию ударной волны, которая распространяется в окружающей среде и постепенно затухает — к примеру, из-за ускорения электронов, что и обеспечивает наличие у пузырей Ферми чётких границ, которые было сложно объяснить в рамках других моделей. Периодичность же уничтожения звёзд чёрной дырой приводит к стационарности областей гамма-излучения.

Кроме того, модель позволяет объяснить ещё одну загадку астрофизики — необычное распределение космических лучей по энергиям.

Распределение космических лучей по энергиям. В области 1015 эВ виден небольшой изгиб — «колено». (Иллюстрация авторов работы.)

Анализ данных со спутников показывает, что число лучей с энергией, превышающей 10¹⁵ эВ, больше, чем это могут объяснить существующие теоретические модели возникновения лучей. Спектральная кривая в этой области энергий напоминает колено — отсюда и название проблемы.

Считается, что источниками космических лучей с энергией, меньшей 10¹⁵ эВ, являются сверхновые. Авторы работы полагают, что часть этих космических лучей дополнительно ускоряется ударными волнами в пузырях Ферми. Таким образом, именно они и формируют избыток высокоэнергичных лучей в спектре.

В заключение — небольшое видео, созданное в НАСА:

Подготовлено по материалам Technology Review и arXiv.