Недавние исследования SS 433 раскрыли механизмы ее гамма-излучения, показав, как частицы ускоряются внутри ее струй. Это открытие бросает вызов существующим теориям и позволяет более внимательно взглянуть на процессы, движущие релятивистские струи, имеющие решающее значение для понимания космических явлений.
Как гамма-лучи отслеживают скорость струй галактического микроквазара SS 433 и открывают высокоэффективное ускорение частиц.
- Микроквазар SS 433 выделяется как один из самых интригующих объектов нашего Млечного Пути .
- Пара противоположно направленных лучей плазмы («струй») движется по спирали перпендикулярно поверхности диска двойных систем со скоростью чуть более четверти скорости света.
- Обсерватории HESS в Намибии теперь удалось обнаружить гамма-лучи очень высокой энергии из джетов SS 433 и определить точное местоположение внутри джетов одного из самых эффективных ускорителей частиц в галактике.
- Путем сравнения гамма-изображений при разных энергиях коллаборация HESS впервые смогла оценить скорость струи вдали от места ее запуска, ограничив механизм, который так эффективно ускоряет частицы.
SS 433 выделяется как один из самых интригующих объектов нашего Млечного Пути. В своем ядре черная дыра вытягивает материал из близко вращающейся звезды-компаньона, создавая горячий аккреционный диск. Примечательно, что пара противоположно направленных лучей плазмы («струй») движется по спирали перпендикулярно поверхности диска со скоростью чуть более четверти скорости света. Обсерватории HESS в Намибии теперь удалось обнаружить гамма-лучи очень высокой энергии из джетов SS 433 и определить точное местоположение внутри джетов одного из самых эффективных ускорителей частиц в галактике. Сравнивая гамма-изображения при различных энергиях, ученые из Института Кернфизики Макса Планка в Гейдельберге и коллаборации HESS раскрыли движение и динамику релятивистской струи в нашей галактике, предложив ценную информацию об этих необычных астрофизических явлениях. Результаты опубликованы в текущем номере журнала Science.
Уникальное чудо Артура Кларка: SS 433
Писатель-фантаст Артур Кларк выбрал свои семь чудес света в телесериале BBC в 1997 году. Единственным астрономическим объектом, который он включил, был SS 433. Он привлек внимание уже в конце 1970-х годов из-за своего рентгеновского излучения. Позже было обнаружено, что он находится в центре газовой туманности, получившей название туманности ламантина из-за своей уникальной формы, напоминающей этих водных млекопитающих.
Тайна самолетов SS 433
SS 433 — двойная звездная система, в которой черная дыра с массой, примерно в десять раз превышающей солнечную, и звезда с аналогичной массой, но занимающая гораздо больший объем, вращаются вокруг друг друга с периодом 13 дней. Интенсивное гравитационное поле черной дыры отрывает материал с поверхности звезды, который накапливается в горячем газовом диске, питающем черную дыру. Когда вещество падает в сторону черной дыры, две коллимированные струи заряженных частиц (плазмы) выбрасываются перпендикулярно плоскости диска со скоростью, составляющей четверть скорости света (см. рисунок 1).
Джеты SS433 можно обнаружить в радио- и рентгеновском диапазонах на расстоянии менее одного светового года по обе стороны от центральной двойной звезды, прежде чем они станут слишком тусклыми, чтобы их можно было увидеть. Однако, что удивительно, на расстоянии около 75 световых лет от места запуска джеты внезапно вновь появляются как яркие источники рентгеновского излучения. Причины этого повторного появления долгое время были плохо изучены.
Подобные релятивистские джеты наблюдаются и из центров активных галактик (например, квазаров), хотя эти джеты по размерам значительно превосходят галактические струи SS 433. По этой аналогии объекты типа SS 433 классифицируются как микроквазары.
Революционное обнаружение гамма-излучения
До недавнего времени гамма-излучение микроквазара не было обнаружено. Но ситуация изменилась в 2018 году, когда Высотной Водной Черенковской гамма-обсерватории (HAWC) впервые удалось зарегистрировать гамма-лучи очень высокой энергии от струй SS 433. Это означает, что где-то в струях частицы ускоряются до экстремальных энергий. Несмотря на десятилетия исследований, до сих пор неясно, как и где частицы ускоряются в астрофизических струях.
Изучение гамма-излучения микроквазаров дает одно важное преимущество: хотя соответствующая область джетов в SS 433 более чем в 50 раз меньше, чем в ближайшей активной галактике (Центавр А), SS 433 расположена внутри Млечного Пути. в тысячу раз ближе к Земле. Как следствие, видимый размер соответствующей области в струях SS 433 на небе намного больше, и, следовательно, ее свойства легче изучать с помощью гамма-телескопов нынешнего поколения.
Определение гамма-излучения
По инициативе обнаружения HAWC обсерватория HESS начала кампанию по наблюдению за системой SS 433. В результате этой кампании было собрано около 200 часов данных и четко обнаружено гамма-излучение от струй SS 433. Превосходное угловое разрешение телескопов HESS по сравнению с более ранними измерениями позволило исследователям точно определить происхождение гамма-излучения. выбросы внутри струй впервые, что дало интригующие результаты:
Хотя гамма-излучение не обнаружено в центральной области двойной звезды, излучение внезапно появляется во внешних джетах на расстоянии около 75 световых лет по обе стороны от двойной звезды, в соответствии с предыдущими рентгеновскими наблюдениями.
Однако больше всего астрономов удивило смещение положения гамма-излучения при наблюдении при разных энергиях.
Фотоны гамма-излучения с максимальной энергией, превышающей 10 тераэлектронвольт, обнаруживаются только в той точке, где струи внезапно появляются вновь (см. рисунок 2в). Напротив, дальше вдоль каждой струи появляются области, испускающие гамма-лучи с более низкими энергиями (см. рис. 2).
«Это первое в истории наблюдение энергозависимой морфологии гамма-излучения астрофизической струи», — отмечает Лаура Оливера-Ньето из Института Кернфизики Макса Планка в Гейдельберге, которая возглавляла исследование HESS. SS 433 в рамках ее докторской диссертации. «Поначалу мы были озадачены этими выводами. Концентрация фотонов такой высокой энергии в местах повторного появления рентгеновских струй означает, что там должно происходить эффективное ускорение частиц, чего не ожидалось».
Наука, стоящая за этим явлением
Ученые смоделировали наблюдаемую энергетическую зависимость излучения гамма-лучей и смогли впервые в истории оценить скорость внешних струй. Разница между этой скоростью и той, с которой вылетают струи, позволяет предположить, что механизм, ускоряющий частицы дальше, — это сильный удар — резкий переход свойств среды. Наличие ударной волны также могло бы служить естественным объяснением повторного появления джетов в рентгеновских лучах, поскольку ускоренные электроны также производят рентгеновское излучение.
«Когда эти быстрые частицы затем сталкиваются с легкой частицей ( фотоном ), они передают часть своей энергии – именно так они производят высокоэнергетические гамма-фотоны, наблюдаемые с помощью HESS. Этот процесс называется обратным эффектом Комптона», – объясняет Брайан Ревилл, руководитель группы астрофизической теории плазмы в Институте ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге.
Открытие ускорения частиц в SS 433
«Было много предположений о возникновении ускорения частиц в этой уникальной системе — больше нет: результат HESS действительно определяет место ускорения, природу ускоренных частиц и позволяет нам исследовать движение крупномасштабные струи, запускаемые черной дырой», — отмечает Джим Хинтон, директор Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге и руководитель отдела нетепловой астрофизики.
«Всего несколько лет назад было немыслимо, чтобы наземные измерения гамма-излучения могли предоставить информацию о внутренней динамике такой системы», — добавляет соавтор Мишель Циру, постдокторант из DESY Zeuthen.
Однако о происхождении толчков в местах повторного появления струи ничего не известно. «У нас до сих пор нет модели, которая могла бы единообразно объяснить все свойства струи, поскольку ни одна модель еще не предсказала эту особенность», — объясняет Оливера-Ньето. В следующий раз она хочет посвятить себя этой задаче — а это достойная цель, поскольку относительная близость SS 433 к Земле дает уникальную возможность изучить возникновение ускорения частиц в релятивистских джетах. Есть надежда, что результаты можно будет перенести на струи активных галактик и квазаров, в тысячи раз большие, что поможет решить многие загадки происхождения самых энергичных космических лучей.
Ссылка: «Ускорение и транспорт релятивистских электронов в струях микроквазара SS 433» Коллаборации HESS*†, Ф. Агаронян, Ф. Айт Бенхали, Дж. Ашерслебен, Х. Ашкар, М. Бакес, В. Барбоза Мартинс, Р. Бацофин, Ю. Бечерини, Д. Берже, К. Бернлёр, Б. Би, М. Бетчер, К. Буассон, Ж. Болмон, М. де Бони де Лавернь, Ж. Боровска, М. Буяхьяуи, М. Бройхаус , Р. Броуз, А. М. Браун, Ф. Брун, Б. Бруно, Т. Булик, К. Бургер-Шейдлин, С. Карофф, С. Казанова, Р. Сесил, Дж. Челич, М. Черрути, Т. Чанд, [ PubMed ] Чандра С., Чен А., Чибуезе Дж., Чибуезе О., Коттер Г., Дай С., Дамаскин Мбарубуцее Дж., Джаннати-Атаи А., Дмитриев А., Дорошенко В., Эгбертс К., Эйнеке С., Ж.-П. Эрненвейн, М. Филипович, Г. Фонтейн, М. Фюслинг, С. Функ, С. Габичи, С. Гафуризаде, Г. Джавитто, Д. Главион, Ж.-Ф. Глиценштейн, Г. Гроллерон, Л. Херер, Дж. А. Хинтон, В. Хофманн, Т. Л. Хольх, М. Холлер, Д. Хорнс, М. Ямрози, Ф. Янковски, А. Жарден-Блик, В. Джоши, И. Юнг- Рихардт, Э. Касаи, К. Катажински, Р. Хатун, Б. Хелифи, С. Клепсер, В. Клужняк, Ну. Комин, К. Косак, Д. Костунин, А. Кунду, Р. Г. Ланг, С. Ле Стум, Ф. Лейтль, А. Лемьер, Ж.-П. Ленейн, Ф. Лойшнер, Т. Лозе, А. Луашвили, И. Липова, Дж. Маккей, Д. Малышев, Д. Малышев, В. Марандон, П. Марчегиани, А. Марковит, Г. Марти-Девеса, Р. М., и М. Ленен, Маркс, А. Мехта, А. Митчелл, Р. Модерски, Л. Морманн, А. Монтанари, Э. Мулен, Т. Мурач, К. Накашима, М. де Норуа, Ж. Нимек, А. Прияна Ноэль Ом , Оливера-Ньето Л , Она Вильхельми Е , Островски М , Пэнни С , Пантер М , Парсонс РД , Перон Г , Прохоров Д.А. , Пюльхофер Г , Панч М , Квирренбах А , П. Райхерцер , А. Раймер , О. Реймер , Х. Рен , М. Рено , Б. Ревиль , Ф. Ригер , Г. Роуэлл , Б. Рудак , Х. Руэда Рикарте , Э. Руис-Веласко , В. Саакян , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,pped , in2 , , , , , , , , , , , , , , , , , , Степа С, Стрейл К, Сущ И, Сузуки Х, Такахаши Т, Танака Т., Тейлор А.М., Терьер Р., Циру М., Цудзи Н., Унбехаун Т., ван Элдик С. и др. Векки, Дж. Вех, С. Вентер, Дж. Винк, Т. Вах, С.Дж. Вагнер, Ф. Вернер, Р. Уайт, А. Верцхольска , Ю Вун Вонг, М. Захариас, Д. Заргарян, А. А. Здзиарский, А. Зех, С. Зуари и Н. Живука, 25 января 2024 г. , Наука
DOI: 10.1126/science.adi2048.
Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
