Зафиксирован выброс необычно жесткого излучения из Крабовидной туманности
Ученые, работающие с телескопом «MAGIC» (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov), обнаружили самый энергичный выброс импульсного излучения из всех, когда-либо зарегистрированных от пульсара PSR B0531+21, находящегося в Крабовидной туманности. Согласно сообщению, опубликованному в журнале Astronomy&Astrophysics, мощность этого излучения достигает 1,5 тераэлектронвольт (ТэВ).
Пульсар в Крабовидной туманности является нейтронной звездой, которая осталась после взрыва сверхновой, образовавшей саму Крабовидную туманность. Его масса больше солнечной примерно в 1,5 раза, скорость вращения достигает 30 оборотов в секунду, и он окружен магнитным полем примерно в десять тысяч миллиардов более мощным, чем наше Солнце. Это поле (магнитосфера) является достаточно мощным, чтобы заставить заряды вращаться с той же скоростью, что и поверхность звезды (в данном случае поверхность — понятие условное). Вращение магнитного поля также разгоняет электроны, которые при таком ускорении создают излучение, улавливаемое нами с Земли.
Наблюдения за пульсаром в Крабовидной туманности производились с помощью черенковского телескопа «MAGIC», который принадлежит обсерватории Роке-де-лос-Мучачос на острове Ла-Пальма в Испании, в течение семи лет с февраля 2007 года по апрель 2014. Информация была дополнена данными радиотелескопа Very Large Array.
Ученые обнаружили самый мощный выброс импульсного излучения из всех, когда-либо зарегистрированных от пульсара PSR B0531+21. Однако примечательно то, что гамма-лучи, обладающие огромной энергией, синхронизировались с радио и рентгеновскими лучами.
Обычно фотоны прибывают в двух отдельных лучах, которые должны быть созданы вдали от поверхности нейтронной звезды. Эти лучи образуются либо где-то на окраине магнитосферы, либо за ее пределами, в ультрарелятивистском ветре частиц вокруг пульсара, чтобы электроны могли разогнаться до таких энергий и при этом избежать большого поглощения магнитосферой. Однако ТэВ-лучи синхронизировались с радио и рентгеновскими лучами, которые, скорее всего, производятся внутри магнитосферы. Чтобы объяснить такую точную синхронизацию лучей авторы работы предлагают два механизма.
Первое объяснение подразумевает, что в магнитосфере пульсара существуют разреженные участки. Через эти разреженные участки ТэВ-позитроны сообщают свою энергию посредством комптоновского рассеяния скоплению инфракрасных фотонов. Здесь же эти высокоэнергетические фотоны поглощаются и приводят к образованию вторичных электрон-позитроных пар, обладающими энергиями до от ГэВ до нескольких ТэВ. Затем на разреженных участках магнитосферы эти пары могут рассеиваться на фотонах, сообщая им энергию от 10 ГэВ до 5 ТэВ. Эти фотоны покидают магнитосферу и некоторых из них мы можем наблюдать с Земли. Однако такое объяснение неполностью согласуется с существующими теориями.
Альтернативной версией является объяснение через холодный ультрарелятивистский ветер на небольших участках в окрестности пульсара, где синхротронное излучение посредством электронов или позитронов может сообщать энергии инфракрасному и рентгеновскому излучению. Однако здесь трудность заключается в том, что для того, чтобы фотоны получили такую высокую энергию, которую зарегистрировали ученые, радиус этих участков должен быть довольно большим. При значительном радиусе участков частицы не могут получить энергию больше 100 ГэВ.
На данный момент объяснить, где именно и как создаются ТэВ выбросы, ученые не могут, так как это трудно согласовывается со стандартными теориями. Тем не менее проблема того, как и где эффект синхронизации лучей достигается на небольших участках, является, по мнению ученых, вполне разрешимой проблемой для современной физики.
Пульсары являются космическим источником радио, оптического, рентгеновского и гамма излучения. Они были открыты еще в середине двадцатого века и изначально представлялись ученым как очень похожие на звезду объекты, излучающие быстрые импульсы радиоволн. Позднее было обнаружено, что пульсар является быстро вращающейся нейтронной звездой, обладающей мощным магнитным полем, заставляющим ее излучать из магнитных полюсов сильные радиоволны. Из-за вращения полюсов наблюдателю кажется, что свет вращающейся звезды мигает, то исчезая, то появляясь вновь, то есть «пульсирует».
Кристина Уласович
Но выяснили это на БАКе
Физики из коллаборации ALICE представили результат измерения сечения неупругого рассеяния антиядер гелия-3 на обычном веществе. Новые данные позволили им смоделировать распространение этих частиц по галактике. Оказалось, что Млечный Путь в целом прозрачен для антиядер, и это можно будет использовать для исследования темной материи. Исследование опубликовано в Nature Physics. Сегодня мы знаем, что антиматерия организована так же, как и обычная материя. Это означает, что стабильные античастицы — антипротоны и антинейтроны — собираются в антиядра, из которых затем можно сформировать антиатомы. На нашей планете антиядра не встречаются в естественных условиях, но мы умеем создавать и изучать их с помощью ускорителей. В космосе же антиядра могут рождаться в результате столкновения высокоэнергетических космических лучей с межзвездной средой или в качестве продукта аннигиляции частиц темной материи. Ученые пока не наблюдали темную материю напрямую, однако на ее существование намекает множество признаков: особенности флуктуаций реликтового излучения, крупномасштабное гравитационное линзирование или характер вращения галактик. В эту копилку можно было бы добавить спектры антиядер, прилетающих на Землю. Для правильной интерпретации результатов наблюдения требуются астрофизические модели, описывающие путь антиядер от рождения до попадания в земные детекторы, но в этой цепочке отсутствуют точные знания о сечении рассеяния антиядер на веществе. Обычно сечения специфических рассеяний получают из эксперимента по бомбардировке мишени пучками интересующих частиц. Однако, пучки антиядер довольно сложно получить. Единственная лаборатория, способная произвести достаточное количество такого антивещества — это Большой адронный коллайдер, где антиядра рождаются наравне с обычными ядрами в столкновениях протонов или ядер свинца. Оценить пропускную способность вещества относительно потока антиядер гелия-3 смогли физики с ALICE — одного из детекторов БАК . Конечно, рождающиеся в результате столкновений антиядра не образуют пучок как таковой — они разлетаются во все стороны. Однако каждая частица обладает определенным импульсом, который физики умеют восстанавливать по информации с детекторов. И хотя в такой схеме невозможно разместить на пути антиядер конкретные мишени, авторы нашли элегантный выход: они использовали сами детекторы в роли мишеней. На эту роль физики выбрали часть поддетекторов внутренней трековой системы (ITS), время-проекционную камеру (TPC) и детектор переходного излучения (TRD) (подробнее об устройстве этих элементов и всего детектора ALICE читайте здесь). Они хорошо знают устройство этих детекторов, их геометрию и пропорции материалов, использованных для их создания. Взвешенный вклад всех компонентов, стоящих на пути антиядер, позволил ученым смоделировать взаимодействие с детекторами в виде трех эффективных мишеней. Первая из них получалась усреднением вкладов ITS + TPC и состояла из ядер со средними массовым и зарядовым числами A=17,4 и Z=8,5. Для второй вклад рассчитывался по формуле ITS + TPC + TRD, а числа были равны A=31,8 и Z=14,8. Третья мишень учитывала только материалы TRD с A=34,7 и Z=16,1. В результате такого подхода физики смогли извлечь из данных о pp- и Pb-Pb-столкновениях зависимость неупругого рассеяния антиядер гелия-3 от их импульса. При этом первый набор данных был точнее в области низких, а второй — в области высоких импульсов. Воспользовавшись новым знанием, ученые решили оценить прозрачность нашей галактики для антиядер гелия-3, рожденных в двух типах процессов: столкновении космических лучей с межзвездной средой и превращении частиц темной материи с массой 100 гигаэлектронвольт в пару W+- и W‑-бозонов с их последующей адронизацией. Авторы выбрали распределение темной материи согласно профилю Наварро — Френка — Уайта, а галактику представили в виде цилиндрического диска, заполненного межзвездным газом, состоящим смеси водорода и гелия со средней плотностью один атом на кубический сантиметр. Для частиц, достигших Солнечной системы, модель включала в себя влияние солнечного магнитного поля. В результате ученые построили ожидаемый поток антивещества для обоих источников. В среднем они оценили прозрачность галактики для антиядер, рожденных из темной материи, в 50 процентов. Для частиц, рожденных под действием космических лучей, прозрачность оказалась в диапазоне от 25 до 90 процентов в зависимость от энергии антиядер. Разница обусловлена различием в энергетических распределениях рождаемых античастиц, а также в пространственных профилях их источников. Работа физиков показывает, что спектры антиядер могут стать хорошим инструментом для исследования темной материи, и в будущем они планируют повторить ее для антиядер гелия-4. Подробнее про антиматерию и ее формы вы можете прочитать в материале с «Точностью до наоборот».