В созвездии Лебедя находится одна из наиболее необычных областей Млечного Пути — огромная структура, заполненная гамма-излучением сверхвысоких энергий. Её называют Пузырём Лебедя. На протяжении нескольких лет астрономы связывали эту структуру прежде всего с расположенным поблизости регионом активного звездообразования Cygnus X, находящимся примерно в 4600 световых годах от Земли.
Теперь появилась другая версия. Исследование показывает, что источником частиц, сформировавших Пузырь Лебедя, может быть микроквазар Cygnus X-3 — компактная двойная система, расположенная значительно дальше, примерно в 31 600 световых годах от нас. Если эта гипотеза подтвердится, учёные получат редкую возможность наблюдать одновременно сам ускоритель космических частиц и огромный «ореол», который он создавал на протяжении сотен тысяч лет.
Что представляет собой Пузырь Лебедя
Пузырь Лебедя — гигантская область гамма-излучения в направлении созвездия Лебедя. Он связан с одной из наиболее активных областей звездообразования в нашей Галактике.
Такие структуры особенно интересны потому, что гамма-излучение сверхвысоких энергий может указывать на присутствие частиц космических лучей, разогнанных до экстремальных скоростей.
Обычные звёзды не способны объяснить подобные энергии. Для этого необходимы мощные астрофизические ускорители, в которых частицы получают огромные количества энергии.
До сих пор среди главных кандидатов на роль таких ускорителей рассматривались остатки сверхновых, пульсарные ветровые туманности, скопления массивных звёзд и некоторые двойные системы.
Теперь в этот список всё более уверенно входят микроквазары.
Что такое микроквазар
Несмотря на название, микроквазар не имеет прямого отношения к настоящим квазарам в смысле размеров.
Квазар — чрезвычайно яркое ядро далёкой галактики, энергия которого связана с аккрецией вещества на сверхмассивную чёрную дыру.
Микроквазар является гораздо меньшей системой. Обычно это двойная звезда, в которой один компонент представляет собой компактный объект — чёрную дыру или нейтронную звезду. Второй компонент является обычной звездой.
Компактный объект обладает настолько сильным гравитационным полем, что перетягивает вещество с компаньона. Падающий газ формирует аккреционный диск и нагревается до чрезвычайно высоких температур.
При определённых условиях система также создаёт мощные струи вещества — релятивистские джеты, распространяющиеся от компактного объекта в противоположных направлениях.
Именно эти процессы делают микроквазары потенциально мощными ускорителями космических частиц.
Cygnus X-3 — необычная двойная система
В центре новой гипотезы находится Cygnus X-3.
Это микроквазар, в состав которого входит компактный объект неизвестной природы и массивная звезда типа Вольфа—Райе.
Они находятся чрезвычайно близко друг к другу по астрономическим меркам и совершают полный оборот всего примерно за 4,8 часа.
Для сравнения, Земле требуется около 365 суток, чтобы совершить один оборот вокруг Солнца.
У Cygnus X-3 два объекта находятся настолько близко, что взаимодействие между ними определяет практически всё поведение системы. Компактный объект получает вещество от звезды-компаньона, вокруг него формируется аккреционная структура, а система способна выбрасывать мощные потоки частиц.
Именно поэтому Cygnus X-3 давно представляет интерес для специалистов по высокоэнергетической астрофизике.
Почему расстояние до Cygnus X-3 имеет значение
На первый взгляд может показаться странным, что объект, находящийся примерно в 31 600 световых годах от Земли, связывают со структурой, которую ранее относили к гораздо более близкому региону.
Это принципиальный момент.
Космические лучи не обязаны оставаться рядом с объектом, который их ускорил.
После рождения или ускорения частицы могут распространяться через межзвёздное пространство на огромные расстояния.
Когда высокоэнергичная частица сталкивается с веществом межзвёздного газа, возникают вторичные частицы и гамма-кванты. Именно гамма-излучение в конечном счёте может быть зарегистрировано телескопами на Земле.
Поэтому место, где астрономы видят гамма-излучение, не обязательно совпадает с настоящим источником ускоренных частиц.
Космические лучи могут уходить далеко от своего источника
Это существенно усложняет поиск источников наиболее энергичных космических лучей.
Представим, что мощный ускоритель находится в одной точке Галактики и непрерывно выбрасывает высокоэнергичные протоны.
Со временем эти частицы распространяются в окружающем пространстве.
Часть из них сталкивается с межзвёздным газом далеко от первоначального источника.
В результате гамма-телескоп фиксирует большое светящееся пятно, но сам ускоритель может находиться далеко от его центра.
Именно поэтому задача поиска так называемых пэватронов — источников частиц с энергиями петаэлектронвольтного диапазона — остаётся сложной.
Что такое пэватрон
Пэватрон — условное название астрофизического объекта, способного ускорять космические частицы до энергий порядка петаэлектронвольт и выше.
Петаэлектронвольт — это огромная энергия для отдельной частицы. В записи с использованием приставок это уровень 10^15 электронвольт, то есть единица с 15 нулями.
Такие частицы значительно превосходят по энергии большинство частиц, с которыми человек имеет дело в обычных условиях.
Их существование в Млечном Пути известно по косвенным наблюдениям, однако определить конкретные объекты, ответственные за их ускорение, чрезвычайно трудно.
Именно поэтому обнаружение нового кандидата на роль пэватрона имеет большое значение для астрофизики космических лучей.
Cygnus X-3 уже оказался экстремальным ускорителем
Гипотеза о роли Cygnus X-3 в формировании Пузыря Лебедя появилась не случайно.
Недавние наблюдения обсерватории LHAASO показали, что Cygnus X-3 способен ускорять частицы как минимум до энергий порядка 30 петаэлектронвольт.
Особенно важно, что высокоэнергичное излучение изменяется синхронно с 4,8-часовым орбитальным периодом двойной системы.
Это является сильным свидетельством того, что экстремальное ускорение частиц происходит непосредственно внутри системы Cygnus X-3.
Именно поэтому исследователи рассматривают Cygnus X-3 как возможный источник частиц, которые со временем сформировали огромную гамма-структуру вокруг него.
Почему название «микроквазар» не означает маленькую энергию
Слово «микро» в данном случае относится прежде всего к размерам системы по сравнению с галактическими квазарами.
Энергия процессов внутри микроквазара может быть колоссальной.
Компактный объект обладает очень сильной гравитацией. Вещество, падающее на него, разгоняется и нагревается. При этом магнитные поля и плазма могут участвовать в формировании джетов, в которых частицы ускоряются до релятивистских скоростей.
Поэтому микроквазары можно рассматривать как своеобразные уменьшенные аналоги активных ядер галактик.
Масштаб различается на многие порядки, но некоторые физические процессы имеют сходный характер.
Звезда Вольфа—Райе играет важную роль
Вторая компонента Cygnus X-3 — звезда Вольфа—Райе.
Это очень массивные и горячие звёзды, отличающиеся чрезвычайно мощными звёздными ветрами.
Такая звезда теряет вещество гораздо интенсивнее, чем Солнце.
В системе Cygnus X-3 мощный звёздный ветер создаёт плотную окружающую среду, через которую распространяются частицы от компактного объекта.
Это создаёт условия для сложных взаимодействий между ускоренными частицами, излучением звезды и окружающим газом.
Поэтому Cygnus X-3 представляет собой особенно интересную лабораторию для изучения механизмов ускорения частиц.
Как мог сформироваться Пузырь Лебедя
Авторы исследования построили модель, в которой Cygnus X-3 выступает как длительно работающий источник высокоэнергичных протонов.
Согласно этой модели, система могла непрерывно выбрасывать частицы в окружающее пространство в течение сотен тысяч лет.
За это время протоны постепенно распространялись вокруг источника.
Когда они сталкивались с атомами окружающего газа, возникало гамма-излучение.
Таким образом, наблюдаемый Пузырь Лебедя мог сформироваться не в результате одного кратковременного события, а как следствие длительной работы одного ускорителя частиц.
Модель смогла воспроизвести свойства Пузыря
Исследователи изменяли параметры модели в пределах физических значений и проверяли, насколько полученная картина соответствует наблюдениям.
Результат оказался согласованным с двумя важными свойствами Пузыря Лебедя.
Модель воспроизвела его общую яркость и характер изменения яркости по мере удаления от центральной области.
Это важно, поскольку совпадение только общей интенсивности гамма-излучения было бы недостаточным.
Необходимо также объяснить пространственное распределение излучения.
В предложенной модели Cygnus X-3 может воспроизвести наблюдаемую структуру при условии, что на ускорение частиц направляется примерно 1–3% его мощности.
Почему нужны сотни тысяч лет
Высокоэнергичные частицы не обязательно мгновенно заполняют огромную область вокруг источника.
Они распространяются через межзвёздную среду постепенно.
Поэтому для формирования большой структуры требуется длительное время.
В модели Cygnus X-3 должен работать как относительно стабильный источник частиц в течение сотен тысяч лет.
За этот период частицы успевают удалиться от центрального объекта и сформировать масштабный ореол.
В этом случае Пузырь Лебедя представляет собой своеобразную «летопись» работы микроквазара.
Мы наблюдаем не только сам компактный объект, но и накопленный за длительное время результат его активности.
Почему гамма-излучение помогает найти невидимые частицы
Космические лучи в основном состоят из заряженных частиц.
Из-за этого их траектории могут изменяться под действием магнитных полей Млечного Пути.
Поэтому невозможно просто провести прямую линию от обнаруженной на Земле частицы обратно к её источнику.
С гамма-квантами ситуация другая.
Они не имеют электрического заряда и распространяются по прямым траекториям, пока не взаимодействуют с веществом или излучением.
Поэтому гамма-излучение позволяет увидеть области, где происходят процессы, связанные с космическими лучами.
Именно гамма-телескопы стали основным инструментом для исследования Пузыря Лебедя.
Почему источник до сих пор трудно определить
Основная проблема заключается в огромном количестве объектов, расположенных в одном направлении на небе.
Cygnus X-3 находится в районе Млечного Пути, богатом молодыми звёздами, газом, пылью и другими источниками высокоэнергичного излучения.
Более близкий регион Cygnus X также содержит множество массивных молодых звёзд.
Поэтому гамма-сигналы различных источников могут накладываться друг на друга.
Современным телескопам пока недостаточно пространственного разрешения, чтобы полностью отделить вклад Cygnus X-3 от вклада звёздного скопления и окружающей области.
Это и оставляет вопрос открытым
Новая модель не доказывает окончательно, что именно Cygnus X-3 создал Пузырь Лебедя.
Она показывает, что этот сценарий физически возможен и хорошо объясняет наблюдаемые свойства структуры.
Окончательное решение потребует новых наблюдений, способных точнее определить пространственное распределение гамма-излучения и отделить различные источники.
Именно поэтому авторы говорят о возможном происхождении Пузыря, а не об окончательно установленном факте.
Почему обнаружение особенно интересно
Если Cygnus X-3 действительно является источником Пузыря, учёные получат редкий пример системы, в которой можно наблюдать две связанные структуры.
Первая — сам ускоритель частиц, то есть компактная двойная система.
Вторая — огромный гамма-ореол, сформированный частицами, покинувшими систему.
Это даёт возможность изучать не только механизм ускорения, но и дальнейшую судьбу частиц в межзвёздном пространстве.
Такое сочетание наблюдений особенно ценно для понимания происхождения космических лучей.
Микроквазары могут оказаться важнее, чем считалось
Традиционно одним из главных кандидатов на роль источников галактических космических лучей считались остатки сверхновых.
Взрыв массивной звезды создаёт ударную волну, которая способна ускорять частицы.
Однако современные наблюдения показывают, что в Млечном Пути существуют и другие потенциальные ускорители.
Микроквазары становятся всё более интересными кандидатами.
Если Cygnus X-3 действительно связан с Пузырём Лебедя, это станет ещё одним свидетельством того, что двойные системы с компактными объектами способны вносить существенный вклад в высокоэнергичную физику Галактики.
Другие микроквазары тоже создают гамма-ореолы
Cygnus X-3 может оказаться не единственным примером.
В последние годы появились свидетельства существования гамма-ореолов, связанных с другими микроквазарами.
Это формирует новую картину: микроквазары могут не только создавать яркое излучение непосредственно возле компактного объекта, но и оставлять после себя огромные области высокоэнергичных частиц.
Такие структуры можно рассматривать как своеобразные следы длительной активности этих двойных систем.
Что такое джет микроквазара
Джет — узкий поток плазмы и частиц, выбрасываемый из области вокруг компактного объекта.
В микроквазарах такие потоки могут распространяться на большие расстояния от двойной системы.
Частицы внутри джетов движутся с околосветовыми скоростями и способны получать очень высокие энергии.
Когда джет взаимодействует с окружающей средой, его частицы могут передавать энергию межзвёздному газу.
Это один из механизмов, благодаря которому небольшая двойная система способна влиять на окружающее пространство на масштабах, значительно превышающих размеры самой системы.
Пузырь намного больше самого источника
Здесь особенно заметен контраст масштабов.
Cygnus X-3 — компактная двойная система, компоненты которой обращаются друг вокруг друга за 4,8 часа.
Пузырь Лебедя, напротив, представляет собой структуру галактического масштаба, простирающуюся на тысячи световых лет.
Получается огромная разница между источником и результатом его работы.
Это не означает, что микроквазар физически «выдувает» пузырь размером в тысячи световых лет подобно воздушному шару.
Речь идёт о распространении высокоэнергичных частиц в межзвёздной среде и последующем образовании гамма-излучения при их взаимодействии с газом.
Почему название «пузырь» может вводить в заблуждение
Пузырь Лебедя не является пустой сферой, аналогичной мыльному пузырю.
Это название описывает наблюдаемую пространственную структуру излучения.
Внутри области находится межзвёздное вещество, а гамма-излучение связано с высокоэнергичными частицами и их взаимодействиями.
Поэтому правильнее представлять Пузырь как огромную область повышенной активности космических лучей, которую астрономы видят по гамма-излучению.
Что означает «затухание» гамма-излучения
В модели исследователи учитывали, как интенсивность гамма-излучения меняется с расстоянием от предполагаемого источника.
Если частицы распространяются от центральной области, их концентрация постепенно уменьшается.
Кроме того, вероятность взаимодействия с окружающим газом зависит от его плотности.
Поэтому яркость гамма-структуры не должна оставаться одинаковой на всём протяжении.
Модель, связанная с Cygnus X-3, смогла воспроизвести наблюдаемое снижение яркости от центральной области к периферии.
Энергия частиц не остаётся около микроквазара
Это важный момент для понимания всей гипотезы.
Если частицы действительно ускоряются в Cygnus X-3 до петаэлектронвольтных энергий, они затем могут покидать непосредственную окрестность системы.
Некоторые из них распространяются на большие расстояния.
В результате гамма-излучение возникает уже не там, где находится сам микроквазар, а в окружающем пространстве.
Таким образом, Пузырь Лебедя можно рассматривать как след распространения частиц от источника.
Почему 1–3% мощности достаточно
Модель показывает, что для объяснения наблюдаемой структуры не требуется направлять на ускорение частиц всю энергетическую мощность Cygnus X-3.
Достаточно примерно 1–3%.
Это делает предложенный сценарий физически правдоподобным: микроквазар не должен превращать практически всю свою энергию в космические лучи.
При этом важно понимать, что это результат конкретной модели, а не прямое измерение доли энергии, которая реально расходуется на ускорение частиц.
Если сама гипотеза об источнике окажется неверной, это значение также не будет описывать реальную систему.
Скорость распространения частиц тоже согласуется с моделью
Исследователи подбирали параметр, описывающий распространение частиц в окружающей среде.
Получившееся значение оказалось хорошо согласованным с независимыми теоретическими представлениями о том, как высокоэнергичные частицы могут распространяться в межзвёздной среде.
Однако и здесь речь идёт не о прямом измерении каждой частицы, а о сравнении модели с наблюдаемой структурой.
Новые телескопы должны помочь
Одним из главных способов проверить гипотезу станет повышение пространственного разрешения наблюдений в гамма-диапазоне.
В числе будущих инструментов, которые могут сыграть здесь важную роль, называются Cherenkov Telescope Array, ASTRI и предлагаемая Large Array of Cherenkov Telescopes.
Они должны обеспечить значительно более детальные наблюдения высокоэнергичного гамма-излучения.
Что именно смогут проверить новые наблюдения
Прежде всего астрономам необходимо отделить вклад Cygnus X-3 от окружающего звёздного региона.
Если будущие наблюдения покажут, что гамма-структура действительно имеет пространственное распределение, согласующееся с распространением частиц от Cygnus X-3, гипотеза получит серьёзное подтверждение.
Если же излучение окажется лучше объяснимо суммарным вкладом звёздных скоплений, ударных волн или других объектов, роль микроквазара окажется менее значительной.
Поэтому следующий этап — не построение ещё более сложной модели, а получение наблюдений с достаточной детализацией.
Cygnus X-3 становится особенно интересным после открытия LHAASO
Наблюдения LHAASO существенно усилили интерес к этой системе.
До обнаружения экстремального гамма-излучения было известно, что Cygnus X-3 является мощным рентгеновским и гамма-источником и обладает джетами.
Но подтверждение ускорения частиц до десятков петаэлектронвольт вывело систему на новый уровень.
Теперь она рассматривается как один из наиболее убедительных кандидатов на роль галактического ускорителя сверхвысоких энергий.
Почему период в 4,8 часа оказался важен
Период обращения компонентов Cygnus X-3 — около 4,8 часа.
Высокоэнергичное излучение системы демонстрирует изменения, связанные с этим периодом.
Это означает, что источник экстремального излучения связан именно с двойной системой, а не просто находится случайно в той же области неба.
Для астрономов это очень важный диагностический признак.
Если излучение регулярно меняется вместе с орбитальным движением системы, вероятность случайного совпадения значительно уменьшается.
Двойная система работает как природный ускоритель частиц
Cygnus X-3 сочетает сразу несколько экстремальных факторов.
Есть компактный объект с сильной гравитацией.
Есть массивная звезда с мощным звёздным ветром.
Есть аккреция вещества.
Есть джеты.
Есть интенсивное электромагнитное излучение.
Есть плотная окружающая среда.
Все эти компоненты создают условия для сложного взаимодействия плазмы, магнитных полей, излучения и релятивистских частиц.
Поэтому подобные системы представляют собой естественные лаборатории, которые невозможно воспроизвести на Земле в полном масштабе.
Пузырь Лебедя помогает заглянуть в историю системы
Если гипотеза верна, наблюдаемая структура несёт информацию не только о текущем состоянии Cygnus X-3.
Частицы, распространившиеся за сотни тысяч лет, сохраняют своеобразную память о прошлой активности системы.
Поэтому гамма-ореол может рассказать о длительной истории работы микроквазара.
Это особенно интересно потому, что наблюдения непосредственно самого Cygnus X-3 показывают состояние системы только в современную эпоху.
Пузырь потенциально содержит информацию о гораздо более длительном периоде.
Это напоминает археологию космических лучей
Аналогию можно провести с археологическими слоями, но без буквального смысла.
Сам микроквазар показывает, что происходит сейчас.
А окружающий гамма-ореол может отражать накопленный эффект его активности в прошлом.
Чем дальше от источника находятся частицы, тем больше информации они могут нести о более ранних этапах его работы — хотя восстановление такой истории требует сложных моделей распространения космических лучей.
Поэтому изучение Пузыря может помочь понять не только источник, но и его эволюцию.
Откуда вообще берутся самые энергичные космические лучи
Это один из фундаментальных вопросов астрофизики.
Земля постоянно подвергается воздействию космических лучей — высокоэнергичных частиц, приходящих из космоса.
Их энергии охватывают огромный диапазон.
Для наиболее энергичных частиц происхождение долгое время оставалось неясным.
Учёные знают, что существуют астрофизические объекты, способные ускорять частицы до колоссальных энергий, но определить вклад каждого типа источников трудно.
Сверхновые, пульсары, активные ядра галактик, звёздные скопления и теперь микроквазары рассматриваются как возможные участники этого процесса.
Почему микроквазары могут заполнить пробел
Остатки сверхновых эффективно ускоряют частицы, но не все наблюдаемые пэватронные источники удаётся однозначно связать с ними.
Микроквазары предоставляют другой механизм.
В них есть компактный объект, аккреция и джеты — то есть процессы, которые хорошо известны как источники ускоренных частиц в активных ядрах галактик.
Если подобные системы действительно способны ускорять протоны до десятков петаэлектронвольт и распространять их в Млечном Пути, их вклад в галактические космические лучи может оказаться существенным.
Что пока остаётся неизвестным
Главный нерешённый вопрос — действительно ли Cygnus X-3 является источником Пузыря Лебедя.
Существующая модель объясняет наблюдения, но пока не позволяет исключить другие источники.
Неизвестно также, насколько эффективно микроквазар способен на протяжении сотен тысяч лет поддерживать необходимый поток частиц.
Кроме того, пространственное разрешение существующих инструментов не позволяет полностью разделить вклад Cygnus X-3 и расположенных в том же направлении источников.
Поэтому окончательный ответ должен дать дальнейшее наблюдение.
Если гипотеза подтвердится
В таком случае Пузырь Лебедя станет одним из наиболее интересных примеров связи между компактной двойной системой и гигантским гамма-ореолом.
Учёные смогут изучать одновременно:
- механизм ускорения частиц в микроквазаре;
- распространение частиц через межзвёздную среду;
- взаимодействие космических лучей с газом;
- формирование гамма-излучения;
- долговременную эволюцию ускорителя.
Это позволит связать физику процессов на масштабе нескольких часов — орбитальный период системы — с явлениями, разворачивающимися на протяжении сотен тысяч лет и охватывающими тысячи световых лет.
Главное значение открытия
История Пузыря Лебедя показывает, насколько сложным может быть поиск источников космических лучей.
Яркая гамма-структура на небе не обязательно указывает непосредственно на место рождения частиц. Они могут удаляться от источника, а затем взаимодействовать с межзвёздным газом и создавать вторичное излучение.
Cygnus X-3 особенно интересен тем, что уже независимо показал способность ускорять частицы до экстремальных энергий — как минимум до 30 петаэлектронвольт. Его 4,8-часовой орбитальный цикл также связан с наблюдаемым высокоэнергичным излучением.
Новая модель предполагает, что на протяжении сотен тысяч лет микроквазар мог выбрасывать высокоэнергичные протоны, которые постепенно распространялись в окружающем пространстве. Их столкновения с межзвёздным газом могли создать наблюдаемый Пузырь Лебедя. Для соответствия наблюдениям модели требуется направлять на ускорение частиц лишь около 1–3% мощности системы.
Однако это пока гипотеза, а не окончательно установленное происхождение Пузыря. Современные гамма-телескопы ещё не способны с необходимой точностью отделить Cygnus X-3 от других источников в этой насыщенной области Млечного Пути. Будущие инструменты, включая Cherenkov Telescope Array и ASTRI, должны значительно улучшить пространственное и спектральное разрешение наблюдений и позволить проверить, действительно ли небольшой по размерам микроквазар способен создавать гигантскую структуру из высокоэнергичных частиц.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
