Рентгеновский хвост длиной 42 световых года раскрывает тайну высокоэнергетических частиц

Китайские астрофизики с помощью рентгеновского телескопа зонда «Эйнштейн» и наземной обсерватории LHAASO обнаружили у пульсара PSR J1740+1000 необычайно длинный рентгеновский хвост протяженностью около 42 световых лет, который совпадает по направлению с потоком гамма-лучей сверхвысокой энергии. Результаты исследования, опубликованные 21 сентября в журнале Science China: Physics, Mechanics & Astronomy, позволяют по-новому взглянуть на то, как высокоэнергетические частицы покидают места своего ускорения и распространяются в межзвездном пространстве.

В космосе существуют частицы, которые разгоняются почти до скорости света в окрестностях пульсаров, остатков сверхновых и черных дыр. Долгое время считалось, что, вырвавшись из этих экстремальных объектов, они быстро теряют направление и рассеиваются в межзвездной среде, как крупинки пыли в порыве ветра. Однако новые наблюдения показывают, что это не всегда так. Оказалось, что некоторые частицы способны сохранять направление движения на протяжении десятков световых лет, оставляя за собой гигантский след, который можно увидеть в рентгеновском диапазоне.

Речь идет о пульсаре PSR J1740+1000, расположенном примерно в 4600 световых годах от Земли. Это пульсар среднего возраста, и ранее телескоп XMM-Newton уже замечал вокруг него слабый рентгеновский хвост длиной всего в несколько световых лет. Но то, что удалось увидеть сейчас, превзошло все ожидания. Рентгеновский телескоп на борту китайского зонда «Эйнштейн» обладает широким полем зрения и низким уровнем фонового излучения, что делает его идеальным инструментом для поиска слабых и протяженных структур на небе. За примерно 70 тысяч секунд наблюдений он зафиксировал хвост, который тянется от пульсара на юго-запад на расстояние до 32 угловых минут. На таком удалении это соответствует примерно 42 световым годам. Это самый длинный рентгеновский хвост пульсарной туманности из когда-либо обнаруженных.

Интересно, что этот хвост совпадает по направлению с гамма-излучением сверхвысокой энергии, которое ранее зарегистрировала обсерватория LHAASO. Более того, положение рентгеновского и гамма-излучения на небе практически совпадает. Это наводит на мысль, что оба типа излучения порождены одной и той же популяцией высокоэнергетических электронов. В туманности пульсарного ветра эти электроны приобретают огромную энергию. Двигаясь вдоль хвоста, они взаимодействуют с магнитными полями и испускают синхротронное излучение, часть которого мы видим как рентгеновские лучи. В то же время эти же электроны сталкиваются с низкоэнергетическими фотонами, которые уже присутствуют в космосе, и разгоняют их до чрезвычайно высоких энергий, порождая гамма-лучи, регистрируемые LHAASO. Получается, что рентгеновские и гамма-лучи — это два разных «отпечатка» одних и тех же частиц, оставленных на разных участках их долгого пути.

Почему же частицы способны уходить так далеко, не рассеиваясь? У ученых есть два возможных объяснения. Согласно первому, межзвездное магнитное поле в этом направлении обладает высокой упорядоченностью. Оно работает как своеобразный коридор, позволяя частицам двигаться вдоль силовых линий, тогда как движение поперек подавляется. Второе объяснение предполагает, что в этом направлении непрерывно выбрасывается быстрый и узкий поток, который увлекает частицы за собой, подобно струе воды из пожарного шланга. Пока невозможно сказать, какой механизм главенствует, но оба варианта указывают на важный факт: покидая туманность пульсарного ветра, высокоэнергетические частицы не всегда рассеиваются хаотично на коротком расстоянии. Они могут сохранять направление движения на значительной дистанции.

Это открытие имеет значение не только для понимания одного конкретного пульсара. Оно предлагает новый взгляд на природу так называемых «сиротских» гамма-лучей сверхвысокой энергии. LHAASO уже не раз обнаруживала источники гамма-излучения, рядом с которыми не видно очевидных астрономических объектов, способных их породить. Теперь становится ясно, что место, где мы регистрируем излучение, может быть всего лишь следом долгого путешествия частиц, а не местом их рождения. Пространственное смещение между источником гамма-лучей и его предполагаемым астрономическим «родителем» не обязательно означает, что связь между ними ошибочна. Возможно, оно как раз и отражает путь, который частицы прошли после того, как покинули место своего ускорения.

В комментарии к статье, опубликованном в том же номере журнала, итальянские исследователи Габриэле Понти и его коллеги из Национального института астрофизики отмечают, что значение этого открытия выходит за рамки одного пульсара. Оно показывает, что астрономам стоит внимательнее относиться к протяженным структурам вокруг источников и учитывать, что частицы могут уходить далеко от места своего рождения. Работа выполнена при участии Института физики высоких энергий Китайской академии наук и Нанкинского университета.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях