Астрономы недосчитались космических лучей в центральной молекулярной зоне

Астрономы проанализировали наблюдения центральной молекулярной зоны (облака в центре Млечного Пути, в котором расположен ускоритель космических лучей высоких энергий) в гамма-диапазоне и по наблюдаемой светимости оценили плотность энергии космических лучей в этом облаке. Оказалось, что внутри облака эта плотность в среднем заметно меньше по сравнению с окружающим внешним регионом, и существенно спадает с ростом расстояния до центра галактики. Как отмечают авторы в статье, опубликованной в Nature Communications, это может указывать на физический барьер, который не пропускает в центральную молекулярную зону космические лучи, приблизительно равномерно заполняющие область вокруг нее.

На сегодняшний день не вполне ясно, где и как космические лучи в нашей галактике ускоряются до высоких энергий (и особенно до предельно высоких — порядка 10¹⁵ электронвольт). Существует множество теоретических моделей, которые пока не имеют надежного наблюдательного подтверждения (подробнее об этом можно узнать в материале «Да кто такой этот ваш певатрон»).

Для изучения механизмов ускорения космических лучей полезно искать области, в которых распределение космических лучей выделяется по отношению к среднему галактическому плавному квазистационарному фону. В таких регионах, вероятно, находятся (или сравнительно недавно находились) ускорители космических лучей, которые снабдили окрестности порцией «свежих» лучей, которая не успела слиться с устоявшимся фоном. Благодаря этому из таких наблюдений можно получать более детальную информацию как о параметрах самого ускорителя, так и о распространении космических лучей в галактике, чем из обычного среднего фона.

Астрономы из Китайской академии наук под руководством Сяоюань Хуан (Xiaoyuan Huang) из обсерватории Цзыцзиньшань сфокусировали свое внимание на центральной молекулярной зоне — плотном молекулярном облаке в центре Млечного Пути, где с большой вероятностью расположен ускоритель (или ускорители) космических лучей высоких энергий. Исследователи проанализировали архивные наблюдения космического гамма-телескопа Ферми с 4 августа 2008 по 1 февраля 2020 и в диапазоне энергий порядка 10⁹—10¹² электронвольт и в направлении, которое отвечает центру галактики.

Чтобы проследить за свойствами космических лучей внутри и снаружи центральной молекулярной зоны, авторы разбили угловую карту на участки толщиной порядка 0,5 градуса, и оценивали наблюдаемые светимости каждого участка в гамма-диапазоне и массу газа в пределах участков. Пользуясь тем, что гамма-излучение является результатом взаимодействия космических лучей с веществом, по этим данным авторы вычисляли среднюю плотность энергии космических лучей (в соответствующем диапазоне энергии) на каждом из участков.

Оказалось, что плотность энергии космических лучей в пределах центральной молекулярной зоны заметно отличается от плотности за ее пределами — как по величине (внутри облака величина плотности оказалась близка к той, которая измерена в окрестности Солнца, и до двух раз меньше по сравнению с внешней областью при равных расстояниях до центра галактики), так и по поведению в пространстве (плотность энергии у краев облака была примерно вдвое меньше, чем в его центре, тогда как в окружающем веществе вне облака плотность практически не зависела от расстояния до центра галактики).

По словам астрономов, такая картина может указывать на физический механизм, который мешает космическим лучам проникать в центральную молекулярную зону — например, удачную конфигурацию магнитного поля у границ облака. Если в дальнейшем предположение авторов подтвердится, то такого рода изоляция облака может помочь детальнее исследовать устройство предполагаемых ускорителей космических лучей внутри него.

Ранее мы рассказывали о том, как астрономы не обнаружили в окрестности центра галактики много молодых звезд и о том, как спектр железа в космических лучах оказался похож на спектр легких элементов.

Николай Мартыненко