Ученые перестали понимать, откуда приходит равномерный фон заполняющих космос гамма-лучей. Команда обсерватории Fermi показала, что их главный источник -- вовсе не сверхмассивные черные дыры, как считалось до сих пор.
Как правило, в космосе ученых интересуют явления, в которых выделяется очень много энергии – потому хотя бы, что процессов низких энергий полно и на Земле, и нет смысла лезть за ними в космос. А изучать высокоэнергичные явления проще всего с помощью фотонов высоких энергий – рентгеновского и гамма-излучения. Такие фотоны почти не рождаются в «обычных» космических процессах, потому их проще выделять на фоне космического «шума».
Большой по площади
Обсерватория Fermi уже успела сделать множество интереснейших открытий. Однако их поток не иссякает, и накануне на Гавайях в ходе конференции отделения астрофизики высоких энергий Американского астрономического общества команда Fermi представила новые результаты – совсем неожиданные и пока с трудом поддающиеся объяснению. Как образно сообщили ученые, в своих исследованиях они смогли бросить первый, мутный взгляд на еще плохо изученную область астрономии – как мореходы, проплывавшие по неизвестным морям, где древние картографы рисовали драконов и левиафанов.
Хотя гамма-диапазон и оптимален для исследований высокоэнергичных процессов, здесь тоже не обходится без своих сложностей. Гамма-кванты несут в миллионы и миллиарды раз больше энергии, чем привычные нам фотоны оптического диапазона. Значит, при прочих равных их поток совсем невелик, и счет идет буквально на штуки. Для того чтобы эти штуки превратились в десятки, сотни и тысячи, и был запущен телескоп GLAST, способный подставить под этот поток «большую площадь» собирающей поверхности.
Близорукий шум
Кроме того, некоторый «шумовой» фон в гамма-диапазоне все-таки присутствует, и именно с ним связано последнее открытие. Ученые давно заметили, что, если аккуратно вычесть вклад от всех источников гамма-излучения, находящихся в нашей Галактике, остается некоторая неистребимая «дымка», имеющая внегалактическую природу. Собственно, равномерное распределение дымки по небесной сфере и является основным аргументом в спорах о ее происхождении.
До сих пор считалось, что никакой загадки в этом излучении нет. Направление прихода гамма-квантов определяется не очень хорошо, а потому угловое разрешение «большого» телескопа Fermi, мало уступающего размерами тому же «Хабблу», не многим лучше разрешения человеческого глаза, притом слегка близорукого. И это еще в лучшем случае – направление прихода фотонов сравнительно низких энергий Fermi определяет с точностью до градуса, что соответствует уже крайне запущенной миопии.
При таком разрешении наличие равномерного фона не должно удивлять. Ученые знают, что в космосе имеется огромное количество галактик. В центре большинства из них имеются сверхмассивные черные дыры, и многие из них пожирают окружающий газ. Падая в черную дыру, этот газ нагревается до огромных температур, а те частицы, что черная дыра не успевает проглотить, с огромными скоростями вылетают наружу в виде струй. Эти струи и разогнанные ими частицы как раз и являются мощными источниками гамма-квантов.
В тех активных галактических ядрах, что находятся поближе к Земле, это излучение можно видеть в деталях. А те, что находятся далеко, для близоруких глаз космических телескопов и сливаются в единый фон. Такая точка зрения до сих пор преобладала – до статьи, которая должна быть опубликована в Physical Review Letters в следующую пятницу.
На балансе
Теперь выяснилось, что это не полная картина. Как рассказал Марко Ахельо, представитель научной группы, занимавшейся анализом этих данных, ему и его коллегам удалось вычислить, какой вклад вносит излучение галактических ядер в рассеянный фон гамма-излучения. Для этого астрономы разобрались в подробностях процессов, с помощью которых энергия разогнанных черными дырами материальных частиц переходит в энергию фотонов.
Таких процессов, по сути, два. Первый – это так называемое обратное комптоновское рассеяние, столкновения низкоэнергичных фотонов оптического и инфракрасного диапазонов (их в галактиках много благодаря обилию ярких звезд) с быстро летящими заряженными частицами. Второй – это столкновения энергичных частиц с ядрами атомов межзвездного газа; при этом рождаются частицы, которые носят «цветочное» название пионы, а те уже живут недолго и вскоре распадаются с излучением гамма-квантов.
Взаимный вклад двух процессов в поток гамма-квантов можно вычислить теоретически, а распределение рожденных двумя способами фотонов по энергии (то есть спектр гамма-квантов) заметно отличается. И хотя мы видим лишь суммарный результат действия двух процессов, по этому суммарному спектру можно определить, сколько фотонов вообще рождены благодаря активным галактическим ядрам.
Как выяснилось, их доля совсем невелика – сверхмассивные черные дыры могут поставлять не более 30% космического гамма-фона. То есть они не только не единственный источник таких квантов, но даже не главный их поставщик. Роль активных галактических ядер очень скромна.
Научный фронт
Впрочем, это нежелание участвовать в привычных для нас процессах заставляет многих ученых прибегать к услугам темной материи всякий раз, когда им не удается объяснить астрономические данные имеющимся веществом. Это, конечно, не очень красиво, так что и сами астрономы на такие попытки слегка морщатся, всегда пытаясь найти какое-то консервативное объяснение.
В случае с фоном гамма-излучения такие консервативные варианты объяснения имеются, рассказал один из руководителей работы Маркус Акерман. Во-первых, это ускорение частиц в обычных галактиках, связанное с рождением массивных звезд, которые быстро проживают свою жизнь, взрываются сверхновыми и могут ускорять частицы на фронтах образующихся при взрывах ударных волн. Во-вторых, не стоит списывать со счетов и ударные волны, возникающие при объединении галактик в скопления и в столкновениях самих скоплений; на них также могут ускоряться частицы – только немного не так, а оттого и соотношение разных механизмов излучения будет иным.
По словам сотрудников эксперимента Fermi, с дальнейшим накоплением данных может появиться возможность выяснить, каков вклад всех этих процессов. И тогда на карте нашего понимания Вселенной будет оставаться все меньше мест, где могли бы укрыться астрофизические левиафаны и драконы.
