Периодическое гамма-излучение в газовом облаке связали с прецессией соседнего микроквазара

Астрофизики обнаружили практически полное совпадение периодов прецессии джетов в двойной системе SS 433 и гамма-излучения соседнего газового облака. Ученые использовали данные наблюдений космического гамма-телескопа «Ферми» за 10 лет и создали карту излучения окрестностей микроквазара. Оказалось, что один из главных источников гамма-лучей с энергией в диапазоне 0,1–300 гигаэлектронвольт в этой области находится на расстоянии 400 световых лет от SS 433 и синхронизирован с периодическими колебаниями направления джетов двойной системы. Полученные результаты подвергают сомнению существующие теории происхождения гамма-излучения в микроквазарах, а в будущем могут позволить расширить представление ученых о формировании и распространении космических лучей. Статья опубликована в журнале Nature Astronomy.

Микроквазар представляет собой двойную систему, которая состоит из массивного компактного объекта (черной дыры или нейтронной звезды) и обычной звезды, вращающихся друг вокруг друга по тесной орбите. Близость двух этих объектов и их гравитационное взаимодействие приводят к тому, что вещество звезды начинает постепенно перетягиваться ее партнером и формирует вокруг последнего аккреционный диск. Аккреция этой материи на черную дыру или нейтронную звезду сопровождается джетами — струями плазмы, летящими в две противоположные стороны от компактного объекта со скоростями в десятые доли скорости света. Именно активный выброс вещества и излучения роднит микроквазары с квазарами, однако в центре последних располагаются сверхмассивные черные дыры.

Именно к микроквазарам относят систему SS 433, в которой компактный объект согласно современным представлениям вероятнее всего является черной дырой с массой в 10-20 масс Солнца, а вокруг черной дыры с периодом в 13 земных дней вращается звезда-сверхгигант. Сама система располагается в нашей галактике на расстоянии порядка 18000 световых лет от Земли, и ее отличительной особенностью является прецессия (периодическое вращательное покачивание, характерное для наклоненной юлы) джетов с периодом в 162 дня. Происходит это из-за того, что аккреционный диск черной дыры лежит не в плоскости вращения друг вокруг друга двух объектов, из-за чего периодически меняется направление летящих из области черной дыры релятивистских струй. В результате джеты SS 433 по форме напоминают не столько прямые линии, сколько разлетающиеся и расширяющиеся в две стороны спирали.

Ученые уже давно подробно изучают и наблюдают за SS 433 и ее окрестностями в широком диапазоне энергий гамма-излучения, пытаясь тем самым подтвердить или опровергнуть применимость к системе существующих теоретических моделей. Так, недавно ученые подтвердили предсказания теории о рождении высокоэнергетического (порядка тераэлектронвольт) гамма-излучения при взаимодействии быстрых электронов в джетах с фотонами микроволнового излучения в результате обратного эффекта Комптона. Некоторые модели предсказывали возникновение в SS 433 и гамма-лучей с энергией порядка гигаэлектронвольт при взаимодействии адронов в джетах с материей вокруг черной дыры или в газовых облаках вблизи системы. Для поиска такого излучения в ряде исследований уже использовались данные с космического гамма-телескопа «Ферми», однако многие из работ противоречат друг другу из-за разногласий и ошибок в технике отделения изучаемого излучения микроквазара от других фоновых источников.

Теперь Цзянь Ли (Jian Li) из гамма-астрономической группы в центре DESY (Немецкий Электронный Синхротрон) провел более качественный анализ данных наблюдения «Ферми» за SS 403 в течение 10 лет, который позволил обнаружить как минимум один источник гамма-излучения в диапазоне энергий между 0,1 и 300 гигаэлектронвольт рядом с двойной системой. Вопреки ожиданиям, источником оказалось газовое облако на расстоянии 400 световых лет от микроквазара, что много даже в масштабах подобных объектов. Более того, обнаруженный источник расположен за пределами конуса распространения джетов SS 433, хотя, как казалось, только последние могут служить источниками такого излучения. На связь релятивистских струй микроквазара и процессов в газовом облаке указывает и периодичность регистрируемого излучения, причем период колебаний потока гамма-лучей, который оказался равен 160,9 ± 2,7 дням, в пределах погрешности совпадает с периодом прецессии джетов SS 433.

Тем не менее в настоящий момент астрофизики не могут объяснить, как именно такое далекое от микроквазара газовое облако может быть источником гамма-излучения с энергией в сотни гигаэлектронвольт. Подобное периодическое излучение предсказывалось моделями, симулирующие взаимодействие гамма-лучей в джетах SS 433 с окружающей материей и излучением, однако для обнаруженного источника эти модели не применимы из-за его местоположения. Авторы предполагают, что до газового облака могут долетать протоны, которые каким-то образом отклонились от исходных траекторий в джете. Протоны с подходящими направлениями движения могут рождаться и в самом аккреционном диске, однако все эти гипотезы на данный момент не могут полностью объяснить наблюдаемое астрофизиками явление.

Согласно работе Ли и его коллег, изученное газовое облако является источником высокоэнергетического гамма-излучение со статистической точностью 5,9 σ в течение активной фазы, которая продолжается полпериода, а в оставшееся время облако практически не излучает. Похожий источник был найден и с противоположной стороны SS 433, однако статистическая точность его обнаружения составила 3,5 сигма, что недостаточно для признания его официальной регистрации. Процессы в этих двух областях, однако, могут быть схожи, и исследователи указывают на необходимость дальнейших наблюдений, а также на важность поиска описывающих подобные явления теорий. Важной причиной для пересмотра физики излучения микроквазаров является и то, что сама двойная система SS 433, вопреки ожиданиям, не оказалась сильным источником гамма-лучей.

Ранее мы уже писали про то, как ученые объяснили дополнительный нагрев джетов SS 433 с помощью ударных волн в плазме, а также о том, как физикам удалось измерить магнитное поле в короне аккреционного диска другого микроквазара.