Автор: Денис Аветисян
Новое исследование гамма-излучения, исходящего от загадочных пузырей Ферми, ставит под сомнение традиционные модели, описывающие ускорение и распространение космических лучей вблизи центра Млечного Пути. Полученные данные указывают на необходимость поиска альтернативных физических механизмов.
На графике показана удельная энергетическая плотность межзвездного излучения в зависимости от длины волны. Модель, построенная на основе данных popescu_radiation_2017, наглядно демонстрирует, как спектральное распределение энергии различается в центре Галактики и на значительном удалении от её плоскости. Эти различия подчёркивают ключевую роль излучения от звёзд, пыли и космического микроволнового фона в формировании энергетического баланса различных космических регионов.
Детальный анализ пространственной и спектральной структуры пузырей Ферми привёл учёных к выводу, что простые сценарии, в которых космические лучи распространяются из центра Галактики, не могут удовлетворительно объяснить наблюдения. Это заставляет рассматривать гипотезы о локальных механизмах ускорения частиц или иных, ещё не изученных, источниках высокоэнергетического излучения.
Гигантские структуры в сердце Млечного Пути
Гигантские симметричные образования, известные как пузыри Ферми, остаются одной из самых интригующих загадок современной астрофизики. Их обнаружение с помощью космического гамма-телескопа Fermi/LAT поставило перед наукой новые вопросы о природе активности галактических ядер.
Хотя эти пузыри наиболее ярко проявляются в гамма-диапазоне, истинная причина их возникновения до сих пор не ясна. Среди основных гипотез — мощные выбросы от сверхмассивной чёрной дыры Стрелец A*, эпохи интенсивного звёздообразования в прошлом или даже процессы, связанные с аннигиляцией частиц тёмной материи.
На карте показан восстановленный поток гамма-излучения, не связанного с пылью, в энергетическом интервале около 133 ГэВ (модель M2 из работы platz_multi-component_2023). Логарифмическая цветовая шкала позволяет оценить интенсивность свечения. Чёрная линия очерчивает визуальные границы источника, а белая пунктирная — обозначает область детального исследования в координатах −40° < ℓ < 40° и −60° < b < 60°.
Эти колоссальные структуры служат немым напоминанием о том, что наши теоретические построения всегда уязвимы перед лицом новых наблюдательных данных.
Две конкурирующие модели гамма-излучения
Для объяснения природы гамма-свечения пузырей Ферми предложены две принципиально разные модели. Адронная модель связывает излучение с распадом пионов, которые рождаются при столкновении высокоэнергетичных протонов (космических лучей) с межзвёздным газом. Лептонная модель объясняет свечение обратным комптоновским рассеянием: релятивистские электроны сталкиваются с низкоэнергетичными фотонами (например, от звёзд или реликтового излучения), передавая им свою энергию и «разгоняя» до гамма-уровней.
Обе модели опираются на предположение о степенном распределении энергии космических лучей. Интересно, что анализ показывает уплотнение гамма-спектра к краям пузырей, что противоречит ожиданиям от классических моделей охлаждения частиц.
Диаграмма иллюстрирует вклад различных компонентов в общее гамма-излучение для лучшей лептонной модели в четырёх точках наблюдения. Видно, что пылевой компонент (красный) доминирует во всех областях, за ним следует звёздный (зелёный), чей вклад ослаблен квантово-механическим эффектом Клейна — Нишины. Вклад реликтового излучения (фиолетовый) остаётся минимальным. Оранжевая кривая показывает суммарное наилучшее соответствие модели данным.
Роль межзвёздной среды и новые методы анализа
Ключевым фактором в интерпретации данных является точное знание Межзвёздного Радиационного Поля (ISRF) — «фона» из фотонов, заполняющего Галактику. Оно критически важно как для адронных, так и для лептонных процессов. Для его моделирования используются, в частности, карты, полученные телескопом Planck. Вариации в плотности и спектре ISRF могут кардинально менять расчётные характеристики гамма-излучения.
Современные методы анализа, такие как Template-Free Reconstruction (реконструкция без шаблонов), позволяют строить карты гамма-неба, не опираясь на заранее заданные модели источников. Это особенно ценно для изучения сложных структур вроде пузырей Ферми.
Сравнение спектральных моделей для точки в центре пузыря (обозначена ‘a’). Графики показывают, что модели с изломом спектра (EPL и BPL) обеспечивают лучшее соответствие наблюдаемым данным (синие точки), чем простая степенная модель (PL), как для адронного (левый график), так и для лептонного (правый график) сценариев.
Расчёты указывают на то, что время охлаждения космических лучей на границах пузыря составляет около 1 миллиона лет. Этот факт серьёзно ограничивает простые модели их распространения и требует переосмысления механизмов ускорения в галактических масштабах.
Свидетельства из других диапазонов спектра
Открытие рентгеновских пузырей eROSITA, пространственно совпадающих с пузырями Ферми, стало мощным аргументом в пользу их общего происхождения.
Обратите внимание: Три самых интересных космических телескопа, запуск которых запланирован на ближайшее время.
Это многоволновое подтверждение указывает на единый физический процесс, породивший эти масштабные структуры.Так, Северный шпор, известная рентгеновская деталь, теперь рассматривается как часть более глобальной структуры eROSITA Bubbles. Кроме того, микроволновое «гало», впервые обнаруженное спутником WMAP, также коррелирует с пузырями, что говорит о широкомасштабности феномена.
Оценка полной мощности, теряемой в виде адронного излучения, составляет около 2.1 ×1038 эрг/с. Эта величина сопоставима с энергией, выделяемой при текущем темпе звёздообразования в галактическом центре.
Карты показывают оценку плотности энергии космических лучей, полученную для наилучших лептонной (слева) и адронной (справа) моделей с изломом спектра (EPL). Цветовая шкала отражает зависимость этой плотности от концентрации протонов космических лучей относительно базовой плотности атомов водорода (nH) в межзвёздной среде.
Совокупность данных из разных диапазонов спектра рисует картину чрезвычайно сложной и динамичной активности в ядре нашей Галактики.
Выводы и будущие направления
Исследование десятилетних данных Fermi/LAT не разрешило загадку пузырей, а, напротив, углубило её. Становится ясно, что простые модели переноса космических лучей от центра Галактики не работают. Это вынуждает научное сообщество искать альтернативные объяснения, такие как механизмы локального ускорения частиц или новые физические процессы.
Дальнейший прогресс будет зависеть от совершенствования моделей, которые должны учитывать нелинейные эффекты, сложную структуру магнитных полей и тонкое взаимодействие космических лучей с межзвёздной средой. Каждое новое наблюдение — это шаг к пониманию, но пузыри Ферми продолжают бросать вызов нашему воображению.
Оригинал статьи: avetisyanfamily.com/tainstvennye-puzyri-fermi-novyj-vzglyad-na-proishozhdenie-kosmicheskih-luchej
Связаться с автором: linkedin.com/in/avetisyan
Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Галактические пузыри Ферми: новые данные о происхождении космических лучей.