Главный источник космического фона выскользнул из рук ученых

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

Но гамма-лучи наша атмосфера не пропускает, поэтому полтора года назад американцы вывели в космос один из самых совершенных инструментов для наблюдения в этом диапазоне – космическую обсерваторию GLAST (англ. Gamma-ray Large Area Space Telescope, «космический гамма-телескоп большой площади» собирающей поверхности), которая после старта получила имя итальянско-американского физика Энрико Ферми.

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

Что же тогда засвечивает небо равномерным фоном? Драконы? Левиафаны? По словам ученых, имеющихся на сегодня данных недостаточно, чтобы опровергнуть даже самые экзотические механизмы, которые приходят в голову теоретикам. Конечно, гипотезы драконов и левиафанов ученые пока не проверяли, но не исключено, что до двух третей всего этого фона дает распад или аннигиляция частиц темной материи – непонятного вещества, которое составляет большую часть массы нашей Вселенной, но при этом никак не хочет проявлять себя в электромагнитном диапазоне.

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.