Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Университета Гонконга (Китай) и Института астрономии Национального центрального университета Тайваня построили модель, которая объясняет появление обнаруженных в 2010 году Ферми-пузырей и «колено» в спектре космических лучей.

Признаки того, что над центром нашей галактики есть нечто необычное, учёные заметили уже давно. Неоднородности в этом районе «видел» немецкий спутник ROSAT, а также аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) NASA.
В 2010 году американские специалисты, рассмотрев эту область в гамма-диапазоне с помощью телескопа «Ферми», обнаружили гигантские фигуры в виде пузырей, симметрично «приклеенные» к чёрной дыре в центре Галактики. В честь спутника, образования были названы Ферми-пузырями. Протяжённая структура возвышается над центром галактики на 8 килопарсек, что равно расстоянию от Земли до центра Галактики, и насчитывает в диаметре около 6 килопарсек. Так же симметрично простирается вниз от центра Галактики второй «пузырь».

Графическая визуализация Ферми-пузырей, обнаруженных гамма-телескопом «Ферми» (иллюстрация NASA's Goddard Space Flight Center).

Модель (http://arxiv.org/abs/1111.5127), которую учёные ФИАНа разработали вместе со своими азиатскими коллегами, позволяет найти ответы сразу на два вопроса современной астрофизики. В первую очередь, она объясняет происхождение пузырей Ферми. Согласно ей, загадочные структуры образованы ударными волнами, возникшими из-за былой активности сверхмассивной чёрной дыры, находящейся в центре нашей галактики. Когда звезда подходит близко к такой чёрной дыре, она (звезда) разрушается приливными силами и «захватывается». В результате черная дыра становится активным ядром галактики, ярким в гамма- и рентгеновском диапазоне. Высвобождающаяся после захвата вещества энергия нагревает газ вокруг чёрной дыры и порождает ударные волны, а наблюдаемое в виде "пузырей Ферми" излучение в рамках предложенной модели образовано электронами, ускоренными на этих ударных волнах.
Помимо происхождения Ферми-пузырей, предложенная модель также объясняет эффект, наблюдаемый в спектре космических лучей, долетающих до Земли. С точки зрения энергии частицы космических лучей «распределяются» неравномерно - сначала их спектр идёт ровно, но в районе 1015эВ и 1018эВ «ломается». Первый излом, из-за внешнего сходства со строением нижней конечности, называется «коленом»; однозначно принятого объяснения ему нет. Второй излом, в соответствии с той же логикой, называется «лодыжкой». Предполагается, что частицы в диапазоне энергий выше "лодыжки" ускорены внегалактическими источниками.

Распределение космических лучей по энергиям (иллюстрация авторов работы)

Согласно наиболее признанной теории, ускорение частиц (в частности, протонов) с энергией ниже первого излома спектральной кривой происходит из-за взрывов сверхновых. Поясняет участник группы, молодой научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Дмитрий Чернышов:

«Когда вспыхивает сверхновая, она выбрасывает огромное количество энергии в виде быстро движущегося газа и формирует вокруг себя ударную волну. Ударная волна ускоряет частицы и, поскольку сверхновые в Галактике вспыхивают достаточно часто, частицы могут заполнить Галактику космическими лучами с той плотностью, которую мы наблюдаем у Земли. Однако при рассмотрении лучей, энергия которых находится на графике выше «колена», возникают некоторые трудности, поскольку, чем больше энергия частицы, тем более долгим должен быть процесс ускорения. В связи с этим сверхновые в качестве ускорителей частиц очень больших энергий не годятся – с одной стороны, ударная волна от сверхновых очень быстро рассеивается, а с другой – радиус этой ударной волны недостаточно большой, чтобы удержать частицы такой энергии внутри».

Таким образом, сверхновые могут заполнить межзвездную среду частицами с энергиями не выше колена; следовательно, «ускорителем» до более высоких энергий должен служить другой космический объект. Для этой роли подходят Ферми-пузыри: ударные волны, создающие их, вполне способны ускорять не только электроны, но и более тяжелые протоны, которые достигают Земли в составе космических лучей.

АНИ «ФИАН-информ»