Космический гамма-телескоп NASA Fermi помог астрономам приблизиться к пониманию того, откуда берется колоссальная энергия у одних из самых ярких объектов Вселенной. Исследователи изучили процессы, происходящие в активных галактических ядрах — регионах вокруг сверхмассивных черных дыр, способных выбрасывать мощнейшие потоки вещества и излучения на огромные расстояния.
Новая работа связана с наблюдениями высокоэнергетического гамма-излучения и помогает объяснить механизмы, питающие эти экстремальные космические системы.
Что такое гамма-излучение
Гамма-лучи — это самая высокоэнергетическая форма электромагнитного излучения.
Они возникают во время наиболее мощных процессов во Вселенной:
- взрывов сверхновых;
- столкновений нейтронных звезд;
- активности черных дыр;
- распада радиоактивных элементов;
- процессов ускорения частиц.
На Земле атмосфера практически полностью блокирует гамма-излучение, поэтому наблюдать его можно только с помощью космических аппаратов.
Почему телескоп Fermi особенно важен
Космический гамма-телескоп Fermi был запущен NASA в 2008 году.
Его основная задача — изучение самых энергетически мощных процессов космоса.
Аппарат наблюдает:
- гамма-всплески;
- активные галактики;
- пульсары;
- остатки сверхновых;
- космические лучи.
За годы работы Fermi существенно расширил представления ученых о высокоэнергетической Вселенной.
Что такое активные галактические ядра
В центре многих галактик находятся сверхмассивные черные дыры.
Иногда вокруг них формируются особенно активные области, называемые активными галактическими ядрами.
Такие объекты могут выделять колоссальное количество энергии.
В некоторых случаях активное ядро светит ярче всей остальной галактики вместе взятой.
Как черная дыра может создавать мощное излучение
Сама черная дыра не излучает свет.
Основной источник энергии — вещество вокруг нее.
Газ и пыль, падающие к черной дыре, образуют аккреционный диск.
Из-за огромных скоростей и трения вещество разогревается до экстремальных температур.
В результате возникает мощное излучение в разных диапазонах:
- радио;
- рентгеновском;
- ультрафиолетовом;
- гамма-диапазоне.
Что такое релятивистские джеты
Некоторые активные ядра выбрасывают узкие струи вещества — джеты.
Эти потоки движутся почти со скоростью света.
Джеты способны простираться на тысячи и даже миллионы световых лет.
Именно они считаются одним из главных источников высокоэнергетического излучения.
Почему происхождение энергии долго оставалось загадкой
Астрономы давно знали, что активные галактики испускают огромные объемы энергии.
Однако было сложно понять:
- где именно ускоряются частицы;
- как формируются джеты;
- что питает гамма-излучение;
- как магнитные поля влияют на процессы;
- почему некоторые объекты становятся особенно яркими.
Новые данные Fermi помогают уточнить эти механизмы.
Что показало новое исследование
Исследователи проанализировали гамма-излучение от активных галактических ядер и обнаружили признаки процессов, связанных с экстремальным ускорением частиц.
Работа помогает лучше понять, каким образом энергия преобразуется возле сверхмассивных черных дыр.
Ученые изучают:
- структуру джетов;
- магнитные поля;
- механизмы ускорения;
- взаимодействие частиц;
- происхождение высокоэнергетического излучения.
Почему магнитные поля играют ключевую роль
Современные модели предполагают, что именно магнитные поля помогают запускать и удерживать джеты.
В окрестностях черной дыры возникают чрезвычайно мощные магнитные структуры.
Они способны:
- ускорять частицы;
- направлять потоки вещества;
- переносить энергию;
- создавать условия для гамма-излучения.
Однако детали этих процессов до сих пор остаются предметом исследований.
Что такое блазары
Особый тип активных галактик называется блазарами.
Это объекты, у которых один из джетов направлен почти точно в сторону Земли.
Из-за этого они выглядят особенно яркими.
Блазары считаются одними из самых мощных известных источников энергии во Вселенной.
Именно такие объекты часто наблюдает телескоп Fermi.
Почему частицы могут разгоняться почти до скорости света
Возле черных дыр действуют экстремальные условия:
- сильнейшая гравитация;
- мощные магнитные поля;
- огромные температуры;
- интенсивное движение плазмы.
Все это создает природные «ускорители частиц» космического масштаба.
Некоторые частицы получают энергии, значительно превышающие возможности земных ускорителей.
Почему гамма-излучение трудно изучать
Гамма-лучи чрезвычайно энергичны и плохо проходят через обычные оптические системы.
Кроме того:
- атмосфера Земли их блокирует;
- сигналы могут быть очень слабыми;
- источники находятся на огромных расстояниях;
- высокоэнергетические процессы часто кратковременны.
Поэтому для подобных исследований необходимы специализированные космические обсерватории.
Как Fermi изменил астрофизику
До запуска телескопа многие процессы высокоэнергетической астрофизики были плохо изучены.
Fermi помог:
- обнаружить новые гамма-источники;
- изучить структуру джетов;
- наблюдать гамма-всплески;
- исследовать космические лучи;
- понять распределение высокоэнергетических объектов во Вселенной.
Аппарат стал одним из важнейших инструментов современной астрофизики.
Почему сверхмассивные черные дыры интересуют ученых
Сегодня считается, что почти каждая крупная галактика содержит центральную сверхмассивную черную дыру.
Эти объекты могут влиять на:
- эволюцию галактик;
- скорость звездообразования;
- распределение газа;
- структуру межгалактической среды.
Изучение активности черных дыр помогает понять развитие Вселенной в целом.
Что такое аккреция
Аккрецией называют процесс падения вещества на массивный объект.
В случае черных дыр этот процесс сопровождается выделением огромного количества энергии.
Иногда эффективность преобразования массы в энергию возле черных дыр оказывается выше, чем при термоядерных реакциях внутри звезд.
Именно поэтому активные ядра способны светить настолько ярко.
Почему джеты считаются одной из главных загадок астрофизики
Несмотря на десятилетия исследований, ученые до сих пор полностью не понимают:
- как формируются джеты;
- почему они остаются устойчивыми;
- каким образом частицы ускоряются до экстремальных энергий;
- как магнитные поля удерживают структуру потоков.
Новые данные помогают постепенно уточнять модели.
Как связаны гамма-лучи и космические лучи
Некоторые ученые считают, что активные галактики могут быть источниками космических лучей сверхвысоких энергий.
Космические лучи — это потоки заряженных частиц, постоянно приходящих на Землю из космоса.
Однако их происхождение до конца не установлено.
Наблюдения гамма-излучения помогают понять, где именно могут ускоряться такие частицы.
Почему эти исследования важны не только для астрофизики
Изучение экстремальных процессов возле черных дыр позволяет проверять фундаментальные законы физики в условиях, которые невозможно воспроизвести на Земле.
Ученые получают данные о:
- поведении материи при огромных энергиях;
- свойствах плазмы;
- роли магнитных полей;
- динамике пространства возле черных дыр.
Какие инструменты будут продолжать исследования
Помимо Fermi, высокоэнергетическую Вселенную изучают:
- рентгеновские телескопы;
- радиоинтерферометры;
- обсерватории черенковского излучения;
- будущие гамма-обсерватории;
- нейтринные детекторы.
Современная астрофизика increasingly объединяет данные сразу из нескольких диапазонов наблюдений.
Почему многоволновая астрономия становится особенно важной
Один и тот же объект может выглядеть совершенно по-разному в разных диапазонах излучения.
Например:
- радиоизлучение показывает структуру джетов;
- рентгеновские лучи помогают изучать горячую плазму;
- гамма-лучи указывают на экстремальные энергии.
Объединение этих данных позволяет получать более полную картину процессов возле черных дыр.
Что ученые планируют дальше
Исследователи продолжат наблюдения активных галактик и блазаров, чтобы уточнить:
- механизмы ускорения частиц;
- структуру магнитных полей;
- происхождение гамма-излучения;
- роль джетов;
- процессы переноса энергии.
По мере накопления данных модели работы сверхмассивных черных дыр становятся все более точными.
Почему новые результаты считаются важными
Черные дыры остаются одними из самых экстремальных объектов во Вселенной.
Несмотря на огромный прогресс астрофизики, многие процессы возле них по-прежнему плохо изучены.
Наблюдения телескопа Fermi помогают ученым приблизиться к пониманию того, каким образом природа создает колоссальные потоки энергии, ускоряет частицы почти до скорости света и формирует гигантские космические структуры, видимые на расстояниях в миллиарды световых лет.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
