Результатом исследования, основанного на данных, собранных космической гамма-обсерваторией «Ферми», которая была запущена на орбиту Земли NASA летом 2008 года, стало первое явное подтверждение, что космические гамма-лучи высоких и сверхвысоких энергий зарождаются в расширяющихся облаках материи, выброшенной в результате вспышек сверхновых.
Результаты, полученные международной исследовательской группой, четыре года обрабатывавшей и анализировавшей данные «Ферми», стали большим шагом вперед в понимании природы космических гамма-всплесков, изучение которых является одной из основных задач этой гамма-обсерватории. Их изложению посвящен специальный доклад на проходящей сейчас в Бостоне ежегодной конференции Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS), а также коллективная статья, опубликованная сегодня в Science.
Мощные космические гамма-всплески – самые яркие электромагнитные события во Вселенной.
Их источники находятся за пределами Млечного Пути на расстоянии миллиардов световых лет от Земли, а энергия порождающих их событий столь колоссальна, что долгое время природа гамм-всплесков составляла одну из главных загадок астрофизики. Постепенное накопление наблюдательных данных, а также развитие технологии быстрого оптического и рентгеновского отождествления гамма-всплесков позволили несколько прояснить их происхождение, связав его со взрывами сверхновых или слиянием двойных нейтронных звезд.
Между тем механизм, порождающий выбросы энергии, которая может на порядки превышать энергию типичной сверхновой (вестниками выбросов являются как раз гамма-всплески), оставался непонятным, и для его объяснения построены уже сотни теоретических моделей.
Для их подтверждения либо выбраковки требовались новые данные наблюдений, объем которых резко возрос с началом эксплуатации «Ферми». Результаты, полученные группой, работавшей с данными этой гамма-обсерватории, позволили впервые дать последовательное эмпирическое объяснение механизма мощных и сверхмощных гамма-всплесков, основанное на инструментальном наблюдении этого феномена. Последнее было получено на основе наблюдений за двумя объектами – IC 443 (туманность Медузы) и IC 444, находящимися на расстоянии 5 и 10 тысяч световых лет от Земли в созвездиях Близнецов и Орла соответственно. Оба представляют собой облака расширяющегося и остывающего межзвездного газа, испускающие гамма-лучи, порождаемые столкновением быстродвижущихся частиц материи, разогнанных взрывами сверхновых, которые произошли в далеком прошлом (примерно 10 и 20 тысяч лет назад).
Долгое время астрофизикам не удавалось определить, какие именно частицы ответственны за гамма-всплески в подобного рода объектах, так как гамма-излучение похожих энергий может порождаться как высокоэнергичными протонами, так и электронами. Детальный анализ гамм-спектров IC 443 и IC 444, проделанный авторами статьи в Science, показал, что причиной всплесков являются разогнанные до релятивистских скоростей протоны, которые сталкиваются с «нормальными», более медленными протонами – ядрами водорода межзвездного газа. Столкновение порождает короткоживущую субатомную частицу – нейтральный пион, которая распадается с испусканием двух гамма-фотонов, оставляющих специфический сдвиг гамма-спектров IC 443 и IC 444, распознанный и проанализированный астрофизиками.
В свою очередь, получил объяснение и механизм разгона протонов в газопылевых облаках, оставшихся после взрыва сверхновых.
Как показал анализ спектрограмм, роль ускорителя протонов играют области этих облаков, где проходит граница ударной волны, отделяющая расширяющийся газ от более холодного межзвездного. Некоторые протоны, которые движутся вдоль линий магнитного поля газопылевого облака, иногда пересекают границы ударных волн. Каждое такое пересечение сопровождается небольшим ускорением протона примерно на 1%, и через какое-то время частица приобретает достаточную скорость, чтобы ее столкновение с более медленным протоном породило нейтральный пион и последующий гамма-всплеск, фиксируемый датчиками орбитальных гамма-обсерваторий.