В начале ноября 1572 года наблюдатели на Земле стали свидетелями появления “новой звезды” в созвездии Кассиопеи, и это событие в настоящее время признается как самое яркое для невооруженного глаза на протяжении вот уже более чем 400 лет. Звезду часто называют “Сверхновая Тихо Браге” в честь великого датского астронома Тихо Браге, который получил известность за свое всестороннее изучение объекта. Теперь данные, собранные на протяжении нескольких лет космическим гамма-телескопом Ферми, показывают, что разрушенные остатки звезды сияют гамма-лучами.
Открытие дает астрономам еще один ключ к пониманию происхождения космических лучей, субатомных частиц – в основном протонов – которые движутся в пространстве почти со скоростью света. Вопросы о том, где именно и каким образом эти частицы достигают таких невероятных энергий, были настоящей загадкой, поскольку ускорение заряженных частиц по галактике легко отклоняется межзвездными магнитными полями. Это делает невозможным отслеживание космических лучей обратно к их источникам.
“К счастью, богатые энергией гамма-лучи возникают, когда космические лучи ударяют межзвездный газ и звезды. Эти гамма-лучи приходят к Ферми прямо из своих источников”, – говорит Франческо Джордано (Francesco Giordano) из университета в Бари и Национального института ядерной физики в Италии. Он является ведущим автором статьи с описанием открытия в Astrophysical Journal Letters от 7 декабря.
Лучшее понимание происхождения космических лучей является одной из ключевых целей Ферми. Его большой телескоп (LAT) сканирует все небо каждые три часа, постепенно создавая все более глубокий обзор гамма-неба. Поскольку гамма-лучи являются наиболее энергичными и проникают в виде света, они служат указателями для ускорения частиц, которое приводит к возникновению космических лучей.
Это открытие дает нам еще одно доказательство в поддержку того, что остатки сверхновых могут ускорить космические лучи.
– Стефан Фанк (Stefan Funk), астрофизик из Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), соавтор открытия.
В 1949 году физик Энрико Ферми – тезка спутника – предположил, что космические лучи ускоряются в магнитном поле облаков межзвездного газа. В последующие десятилетия, астрономы показали, что остатки сверхновых могут быть лучшими кандидатами для этого процесса.
Когда звезда взрывается, она превращается в остаток сверхновой, в быстро расширяющиеся оболочки горячего газа, ограниченные ударной волной взрыва. Ученые ожидают, что магнитные поля по обе стороны фронта ударной волны могут заманить частицы, находящиеся между ними, в специфический процесс, который представляет собой субатомную игру пинг-понг.
“Магнитные поля от остатков сверхновой очень слабы по отношению к Земле, но они распространяются на обширный регион, в конечном счете, охватывающий тысячи световых лет. Они сильно влияют на курс заряженных частиц”, – говорит соавтор Мелитта Науманн-Годо (Melitta Naumann-Godo) из Университета Парижа им. Дидро и Комиссии по атомной энергии в Сакле (Франция).
Поскольку они курсируют назад и вперед через потрясенную сверхновую звезду, заряженные частицы получают энергию с каждым пересечением. В конечном счете они вырываются из своего магнитного заключения, покинув остатки сверхновой звезды и свободно бродя по галактике.
“Энергии гамма-лучей отражают энергии ускоренных частиц, которые производят их, и мы ожидаем, что больше космических лучей будет ускорено до более высоких энергий в молодых объектах, потому что ударные взрывные волны и их запутанные магнитные поля более сильны”, – добавил Фанк. В отличие от этого, более старые остатки с более слабыми ударными взрывными волнами не могут сохранить частицы с самой высокой энергией, и гамма-телескоп Large Area Telescope (LAT), главный инструмент обсерватории Ферми, не обнаруживает гамма-лучи с соответствующими энергиями.
Сверхновая звезда 1572 года была одним из больших водоразделов в истории астрономии. Звезда засверкала в то время, когда звездное небо расценивалось как неподвижная и неизменная часть Вселенной.
Сверхновая звезда сначала появилась 6 ноября, но плохая погода упрятала ее от Тихо Браге до 11 ноября, когда он заметил ее во время прогулки перед обедом. “Я, к неописуемому моему удивлению, увидел близ зенита в Кассиопее яркую звезду необыкновенной величины. Пораженный открытием, я не знал, верить ли собственным глазам”, – вспоминал он.
Сверхновая звезда оставалась видимой в течение 15 месяцев и не показала движения на небесах, указывая, что она была расположена далеко за пределами Солнца, Луны и планет. Современные астрономы оценивают, что остатки находились между 9000 и 11000 световых лет.
После более чем двух с половиной лет просмотра неба, данные LAT ясно показывают, что загадочная область ГэВ гамма-излучения (миллиард электрон-вольт) связана с остатком сверхновой звезды Тихо. (Для сравнения энергия видимого света колеблется между 2 и 3 электрон-вольт.)
Кит Бечтол (Keith Bechtol), аспирант KIPAC, был одним из первых исследователей, которые заметят потенциальную связь. “Мы знали, что остаток сверхновой звезды Тихо мог быть важной находкой для Ферми, потому что этот объект был очень широко изучен в других частях электромагнитного спектра. Мы подумали, что это могла бы быть одна из наших лучших возможностей идентифицировать спектральную подпись, указывающую на присутствие протонов космических лучей”, – сказал он.
Исследователи приходят к заключению, что процесс, названный “производством пиона”, лучше всего, объясняет эмиссию. Сначала протон космического луча, летящий со скоростью близкой к скорости света, ударяет медленнее движущийся протон. Это взаимодействие создает непостоянную частицу – пион – всего лишь с 14% массы протона. Всего за 10 миллионных долей миллиардной доли секунды пион распадается в пару гамма-лучей.
Если эта интерпретация правильна, то где-нибудь в пределах остатков сверхновой, протоны ускоряются до скорости близкой к скорости света, и затем взаимодействуют с более медленными частицами, чтобы произвести гамма-лучи, самую чрезвычайную форму света.