Гамма-излучение далекого космоса: новая интерпретация пузырей Ферми

Общеизвестно, что наш Млечный Путь обладает ярко выраженной дискообразной структурой: при диаметре около 100 000 световых лет его толщина составляет всего тысячу. Тем поразительнее выглядит наличие двух колоссальных биполярных облаков, которые тянутся от центра Галактики в северном и южном направлениях, перпендикулярно плоскости диска. Эти масштабные структуры, получившие название «пузыри Ферми», были обнаружены в 2010 году благодаря анализу данных гамма-телескопа «Ферми». Спустя десять лет, в 2020 году, обсерватория EROSITA выявила еще более обширные рентгеновские оболочки, которые, подобно кокону, окружают пузыри Ферми. Общая картина выглядит следующим образом:

Данная иллюстрация позаимствована из познавательного материала пользователя @SLY_G, который в 2021 году подробно писал на SE7ENе о «Огромных пузырях размером с галактику, возвышающихся над Млечным Путем». С того времени тема незаслуженно выпала из поля зрения сообщества. В этой заметке я разберу современные гипотезы об их происхождении, поиски аналогичных образований в других звездных системах и важные детали, ставшие известными за последние годы.

Трудно вообразить объект, чья протяженность в 25 000 световых лет — лишь малая часть его масштабов. Эти структуры, расположенные симметрично относительно балджа Млечного Пути, абсолютно невидимы для оптических приборов и регистрируются лишь в жестком рентгеновском и гамма-диапазонах. Спустя полтора десятилетия после открытия окончательная теория их возникновения так и не сформулирована — ученые оперируют лишь набором аргументированных предположений.

Согласно данным телескопа «Ферми», пузыри расширяются со скоростью около 3,5 миллионов км/ч, образуя гигантскую «восьмерку». Внешние тонкие полусферы светятся в рентгеновском диапазоне, а внутренние — в гамма-лучах. Место слияния этих структур в центре Галактики проецируется на созвездие Стрельца и удалено от Солнца на 26 000 световых лет.

Любая состоятельная теория обязана объяснить источник колоссальной энергии, необходимой для формирования этих пузырей — она сопоставима с одновременным взрывом сотни тысяч сверхновых. Наиболее вероятным «эпицентром» является Стрелец А* (Sag A*) — сверхмассивная черная дыра, скрытая в самом сердце нашей галактической системы.

Хотя в видимом спектре пузыри никак не проявляются, их гамма-излучение охватывает огромные области над Северным и Южным полушариями неба. Если бы эти потоки высокоэнергетических частиц были доступны глазу, ночное небо выглядело бы совершенно иначе. Сам Стрелец А* представляет собой компактный объект, масса которого в миллионы раз превышает солнечную при крайне малых размерах. Вероятно, именно этот объект задает импульс вращения всей нашей Галактике.

Ранее в статье «Заря квазаров» я рассуждал о том, что квазары могут представлять собой ранний этап эволюции сверхмассивных черных дыр, когда они активно поглощают окружающее вещество. Вещество, падающее в такую «воронку» на околосветовых скоростях, генерирует мощнейшее излучение во всех диапазонах. Газ внутри пузырей Ферми также разогрет до экстремальных температур, достигающих миллиона кельвинов.

В своей рубрике «Спросите Итана» коллега @SLY_G подробно разбирал природу галактических джетов — потоков энергии, выбрасываемых черными дырами.

Альтернативная гипотеза предполагает «катастрофический эпизод» в прошлом: возможно, некая массивная звезда подошла слишком близко к Sag A* и была разорвана приливными силами, а её остатки были выброшены далеко за пределы галактического диска. В пользу этой версии говорит и наличие в центре Млечного Пути трех крупных звездных скоплений («Центральное», «Арки» и «Пять Близнецов»), где до сих пор рождаются гигантские голубые звезды. Некоторые из них являются экзотическими двойными системами, например, WR140, состоящей из звезды Вольфа-Райе и O-звезды. Энергичные «звездные ветры» от таких светил, взаимодействуя друг с другом, создают миниатюрные подобия пузырей Ферми, что наглядно описала в своей статье @GreenRediska.

Наиболее убедительная математическая модель была представлена в 2023 году профессором Ютакой Фуджитой из Токийского столичного университета. Опираясь на данные японского телескопа «Судзаку», ученый показал, что пузыри — это результат накопительного эффекта. Постоянные потоки частиц, исходящие от центральной черной дыры со скоростью около 1000 км/с в течение последних 10 миллионов лет, при столкновении с галактическим гало создают фронт обратного удара. Именно эта энергия, а не единовременный мощный взрыв, наилучшим образом описывает текущую геометрию и температуру пузырей.

Существуют и более радикальные предположения, связывающие данные структуры с аннигиляцией темной материи. Однако, как отмечалось в недавних исследованиях (например, в материалах ресурса Prokosmos, посвященных природе антиматерии), антивещество едва ли может полностью объяснить аномалии, приписываемые скрытой массе галактик.

Отдельного упоминания заслуживает открытие 2016 года: группа астрофизиков под руководством М. С. Пширкова из ГАИШ МГУ обнаружила аналогичные структуры в галактике Андромеды (М31). Несмотря на сложность регистрации единичных фотонов, данные подтверждают гипотезу об адронном происхождении таких образований: космические лучи сталкиваются с диффузной средой, рождая пионы, которые затем распадаются на гамма-излучение.

Подводя итог, пузыри Ферми остаются одной из самых захватывающих загадок современной астрофизики. Возможно, они являются неотъемлемым атрибутом всех крупных спиральных галактик, служа естественными «отсветами» скрытых в центрах сверхмассивных черных дыр. Более того, эти области работают как гигантские природные ускорители частиц, позволяя нам заглянуть в мир сверхвысоких энергий, недоступный для наземных технологий, и задать вектор для новых фундаментальных экспериментов.

 

Источник