Японські астрономи запропонували нове можливе джерело для «м'яких» гамма-променів, походження яких вчені досі не могли пояснити. Моделюючи процеси, які відбуваються у активних ядрах галактик, вони дійшли висновку, що саме вони можуть бути відповідальними за гамма промені мегаелектронвольтного діапазону енергії та нейтрино петаелектронвольтного діапазону, які доходять до Землі. Дослідження опубліковане у журналі Nature Communications.
Ілюстрація активного ядра галактики. NASA / CXC / M.Weiss
Що таке космічні промені і як їх пояснюють?
Космічні промені – це величезний клас частинок, які прилітають на Землю не від одного якогось джерела випромінювання, а ніби нізвідки. Переважна більшість із них представлена протонами, ядрами гелію та електронами, і їхнє походження є цілком зрозумілим – зрештою їх випромінюють галактичні та позагалактичні об'єкти. Але є також велика кількість гамма-частинок та нейтрино, походження яких ми досі не можемо пояснити. Це одні із найбільш високоенергетичних частинок, які мають енергію, що вимірюється мільйонами, мільярдами, трильйонами чи навіть значно більшою кількістю електронвольтів.
При цьому частинки із різною енергією не можуть походити з одного і того самого джерела. Джерелом гамма-променів із енергією порядку гігаелектронвольт (мільярд електронвольтів) тераелектронвольт (трильйон електронвольтів) виявилися найяскравіші ядра активних галактик, такі як блазари. Але джерело «м'яких» гамма-променів, енергія яких вимірюється мегаелектронвольтами, тобто мільйонами електронвольтів, і високоенергетичних нейтрино виявити досі не вдавалося. Їх можуть випускати наднові типа Іа, кілонові таблазари, однак не так часто, щоб пояснити спостережуваний вченими фон. У новій роботі дослідникам університету Тохаку, що у Японії, вдалося знайти ще одне додаткове джерело. Це тьмяні ядра галактик, які досі вважалися занадто спокійними для того, щоб генерувати таке випромінювання.
Що відбувається на активних ядрах галактик?
Вважається, що у центрі будь-якої галактики знаходиться надмасивна чорна діра, яка також створює випромінювання, але у рентгенівському діапазоні. Втім, притягуюючи до себе газ і пил, частки матерії виходять на її орбіту, набувають велетенських швидкостей та розігріваються. І ось саме акреційний диск навколо чорної діри та джети, що вириваються з полюсів чорної діри і сприймаються нами як активні ядра галактик. При цьому різниця між активним та неактивним ядром галактики пояснюється лише тим, чи падає на нього на даний момент маса, чи ні.
Зазвичай вважалося, що високоенергетичні частинки можуть продукуватися тільки дуже потужними потоками у найяскравіших активних ядрах галактик. У новому ж дослідженні моделювання показало, що навіть значно менш потужні потоки речовини, які називаються випромінювально-неефективними акреційними потоками (radiatively inefficient accretion flows, RIAF) теж можуть випромінювати гамма-частинки та нейтрино. Цей механізм пов'язаний із виникненням в акреційному диску нетеплових електронів, частина із яких стикається із протонами та породжує гамма-промені та високоенергетичні нейтрино.
На відміну від потужних променів, що породжують потужне гамма-випромінювання, RIAF можуть спостерігатися не тільки у найяскравіших активних ядрах галактик, але й у тих ядрах, де чорна діра не притягує на себе достатньо матеріалу, щоб сформувати масивний акреційний диск.
Скільки випромінювання так можна пояснити?
У самій публікації автори зазначають, що непоганим її підтвердженням була б детекція тих самих нетеплових електронів, які народжуються у RIAF. Однак вони ж говорять про те, що нетеплові електрони на своєму шляху до нас дуже легко можуть перетворитися на теплові. Крім того, зазначається, що наявні засоби спостереження просто не можуть вловити ані настільки високоенергетичні нейтрино, ані виміряти температуру електронів. Але нейтринні обсерваторії та супутники нового покоління, такі як ASTROGAM та GRAMS цілком будуть здатні підтвердити чи спростувати їхні припущення.
Окрім того, що гамма-сплески є найяскравішими та найвибуховішими явищами, що спостерігають астрономи, вони також є одними з найвіддаленіших астрофізичних об’єктів, що коли-небудь спостерігалися. Нещодавно Nauka.ua розповідала, як астрономи знайшли спосіб класифікувати гамма-спалахи і так використовувати їх як стандартні свічки для визначення відстаней у космосі. А от гамма-випромінювання джетів здатне формуватися навіть на відстані приблизно 3 світлових років від центральної чорної діри.