Космический телескоп “Ферми”, занимающийся исследованием вселенной в гамма лучах, обнаружил слабое, но протяжённое свечение высокоэнергетического света вокруг соседнего к нам пульсара. Если бы это гало гамма-излучения было видно человеческому глазу, то оно выглядело бы на небе примерно в 40 раз больше, чем полная Луна. Учёные утверждают, что эта странная структура может дать ответ на вопрос о количестве антиматерии в местном космическом пространстве.
“Наш анализ показывает, что этот же пульсар может быть за загадку о том, почему один тип космических частиц необычайно распространен вблизи Земли. Речь идёт о позитронах – противоположной версии электронов, которые приходят к нам откуда-то из-за пределов Солнечной системы”, – Маттиа Ди Мауро, астрофизик из Католического университета Америки в Вашингтоне и Центра космических полетов Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд.
Эта анимация показывает область неба, отцентрированную на пульсаре Геминга. На первом изображении показано общее количество гамма-лучей, обнаруженных большим телескопом “Ферми” в энергиях от 8 до 1000 миллиардов электронвольт (ГэВ), что в миллиарды раз больше энергии видимого света, за последнее десятилетие. Удалив все яркие источники, астрономы обнаружили слабое, расширенное гамма-гало пульсара. Источник: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration
Статья с подробным описанием полученных результатов была опубликована в журнале Physical Review D 17 декабря 2019 года и доступна онлайн.
Нейтронная звезда представляет собой раздавленное ядро, оставшееся после того, как у звезды, гораздо более массивной, чем Солнце, заканчивается топливо, и она коллапсирует под действием собственной гравитации, взрываясь, как сверхновая. Некоторые нейтронные звезды мы наблюдаем в качестве пульсаров – быстро вращающихся объектов, испускающих лучи света, которые, подобно маяку, с известной регулярностью проходят через наше поле зрения.
Геминга, открытая в 1972 году небольшим спутником SAS-2 (Small Astronomy Satellite 2), является одним из самых ярких пульсаров в гамма-лучах. Она расположена примерно в 800 световых годах от нас в созвездии Близнецов. Имя Геминга – это одновременно английская игра слов “источник гамма-излучения Близнецов” (Gemini gamma-ray source) и выражение “его там нет”, относящееся к неспособности астрономов найти объект в других энергиях, на миланском диалекте.
Геминга была окончательно идентифицирована в марте 1991 года, когда мерцающие рентгеновские лучи, зарегистрированные немецкой миссией ROSAT, показали, что их источником является пульсар, вращающийся со скоростью 4,2 раза в секунду.
Пульсар естественным образом окружает себя облаком электронов и позитронов. Это происходит потому, что интенсивное магнитное поле нейтронной звезды вытягивает частицы с поверхности пульсара и ускоряет их почти до скорости света.
Эта модель гало гамма-излучения Геминги показывает, как оно изменяется при различных энергиях, в результате двух эффектов. Во-первых, это быстрое движение пульсара в пространстве в течение десятилетия, когда его наблюдал большой телескоп “Ферми”. Во-вторых, частицы с более низкой энергией проходят гораздо дальше от пульсара, прежде чем они вступят во взаимодействие со звёздным светом и увеличат его до энергии гамма-лучей. Вот почему гамма-излучение охватывает большую область при более низких энергиях. Один ГэВ представляет собой 1 миллиард электрон-вольт, что в миллиарды раз превышает энергию видимого света. Источник: NASA’s Goddard Space Flight Center/M. Di Mauro
Электроны и позитроны относятся к числу быстрых частиц, собирающихся в космические лучи, которые возникают за пределами Солнечной системы. Поскольку частицы космических лучей несут электрический заряд, их траектории становятся запутанными, когда они сталкиваются с магнитными полями на своём полёте к Земле. Это означает, что астрономы не могут напрямую отследить источник их возникновения.
За последние десять лет измерения космических лучей с помощью “Ферми”, спектрометра Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) на борту Международной Космической Станции и других космических экспериментов вблизи Земли показали присутствие большего количества позитронов высоких энергий, чем ожидали учёные. Ближайшие пульсары, вроде Геминги, были главными “подозреваемый” в их распространении.
Затем, в 2017 году, учёные с помощью высокогорной черенковской гамма-обсерватории High-Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC) близ Пуэблы, Мексика, подтвердили более ранние наземные обнаружения небольшого гамма-гало вокруг Геминги. Они наблюдали эту структуру в энергиях от 5 до 40 триллионов электрон-вольт. Энергия этого излучения в триллионы раз больше, чем могут видеть наши глаза.
Ученые считают, что это гало возникает, когда ускоренные электроны и позитроны сталкиваются с ближним к ним светом звёзд. Столкновение усиливает свет до гораздо более высоких энергий. Основываясь на размерах гало, команда HAWC пришла к выводу, что позитроны Геминги при таких энергиях лишь изредка достигают Земли. Если это правда, то это означает, что наблюдаемый избыток позитронов должен иметь более экзотическое происхождение.
Но интерес к происхождению пульсаров продолжался, и Геминга была на острие этих исследований. Ди Мауро провёл анализ десятилетних данных гамма-излучения Геминги, полученных с помощью большого телескопа обсерватории “Ферми”, который наблюдает свет в более низкой энергии, чем HAWC.
“Чтобы изучить гало, мы должны были вычесть все другие источники гамма-излучения, включая рассеянный свет, производимый столкновениями космических лучей с межзвёздными газовыми облаками. Мы исследовали данные, используя десять различных моделей межзвёздной эмиссии”, – соавтор работы Сильвия Манкони, постдок из Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена в Германии.
То, что осталось, когда эти источники были удалены, было огромным, продолговатым свечением, охватывающим около 20 градусов в небе с энергией 10 миллиардов электронвольт (ГэВ). Это сравнимо с размером знаменитого созвездия Большой Медведицы, а его гало ещё больше при более низких энергиях.
Частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, могут взаимодействовать со звёздным светом и увеличивать его до энергий гамма-лучей. Эта анимация показывает процесс, известный как обратное комптоновское рассеяние. Когда свет в диапазоне от микроволнового до ультрафиолетового сталкивается с быстро движущейся частицей, взаимодействие усиливает ее до гамма-лучей, самой мощной формы света. Источник: NASA’s Goddard Space Flight Center
“Частицы с более низкой энергией перемещаются гораздо дальше от пульсара, прежде чем они сталкиваются с звёздным светом, передают ему часть своей энергии и усиливают свет до гамма-излучения. Вот почему оно охватывает большую область при более низких энергиях. Кроме того, гало Геминги удлиняется отчасти из-за движения пульсара в пространстве”, – поясняет соавтор исследования Фиоренца Донато из итальянского Национального института ядерной физики университета Турина.
Группа определила, что данные большого телескопа “Ферми” были совместимы с более ранними наблюдениями HAWC. Поэтому, одна только Геминга может быть ответственна за целых 20% высокоэнергетических позитронов, наблюдаемых в эксперименте AMS-02. Экстраполируя это на кумулятивное излучение всех пульсаров в нашей галактике, учёные говорят, что пульсары остаются лучшим объяснением избытка позитронов.
“Наша работа демонстрирует важность изучения отдельных источников, чтобы предсказать, как они влияют на космические лучи. Это один из аспектов захватывающей новой области, называемой мультисенсорной астрономией, где мы изучаем вселенную с помощью нескольких сигналов, таких как космические лучи, в дополнение к электромагнитному излучению”.
По информации НАСА.
Источник: