На представленной иллюстрации художник визуализирует участок наблюдаемого неба, обозначая источники гамма — излучения и пурпурные круги, которые сейчас служат для демонстрации погрешности в определении координат точек исхождения лучей, а также неопределенности их реального направления в космическом пространстве. Композиция изображения выполнена таким образом, что плоскость нашей галактики проходит горизонтально вдоль центральной оси схемы. Вероятность нахождения источника гамма-излучения внутри внутреннего круга составляет 68%, а внутри внешнего — 95%. В ходе анализа данных, собранных космическим телескопом Fermi Gamma-ray Space Telescope НАСА за тринадцатилетний период, астрономами была выявлена неожиданная и на данный момент не имеющая объяснения особенность за пределами нашей галактики.

“Это совершенно неожиданное открытие”, – сказал Александр Кашлинский, космолог из Университета Мэриленда. и Центра космических полётов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, который представил результаты исследования на 243-м заседании Американского астрономического общества в Новом Орлеане. “Мы искали один сигнал, а обнаружили другой, гораздо более сильный, причём в другой части неба”.

Интригует то, что гамма-сигнал обнаружен в том же месте неба и имеет почти такую же мощность, что и другая необъяснимая особенность, испускающая одни из самых энергичных космических частиц, когда-либо обнаруженных. Статья с описанием полученных результатов была опубликована в среду, 10 января, в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Команда искала гамма-излучение, связанное с реликтовым излучением (РИ), самым старым светом во Вселенной. Учёные говорят, что РИ возникло, когда горячая расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что образовала первые атомы. Это событие породило света, который впервые смог распространяться по космосу беспрепятственно. Растянутый последующим расширением пространства за последние 13 миллиардов лет, этот свет путешествовал по Вселенной, и был впервые обнаружен в виде слабых микроволн, идущих со всего небосвода, в 1965 году.

В 1970-х годах астрономы поняли, что РИ имеет так называемую дипольную структуру, которую впоследствии измерила с высокой точностью миссиея НАСА COBE (Cosmic Background Explorer). В направлении созвездия Льва РИ примерно на 0,12 % горячее и содержит больше микроволн, чем в среднем, и на столько же холоднее и беднее микроволнами среднего значения в противоположном направлении. Чтобы изучить крошечные температурные вариации в РИ, этот сигнал необходимо вычитать. Астрономы обычно объясняют эту картину движением нашей Солнечной системы относительно РИ со скоростью около 370 километров в секунду.

Это движение приводит к появлению дипольного сигнала в свете, исходящем от любого астрофизического источника, но до сих пор точно измерить его удалось только в РИ. Если поискать эту закономерность в других видах света, астрономы смогут подтвердить или опровергнуть идею о том, что дипольность обусловлена исключительно движением нашей Солнечной системы.

“Такое измерение важно, потому что несогласие с размером и направлением диполя РИ может дать нам возможность взглянуть на физические процессы, происходящие в самой ранней Вселенной, возможно, ещё тогда, когда её возраст составлял менее триллионной доли секунды”, – говорит соавтор Фернандо Атрио-Барандела, профессор теоретической физики из Университета Саламанки в Испании.

Команда пришла к выводу, что, если сложить многолетние данные, полученные LAT (Large Area Telescope), который сканирует всё небо много раз в день, можно обнаружить соответствующую дипольную эмиссионную картину в гамма-лучах. Благодаря эффекту относительности, диполь гамма-излучения нужно усилить в пять раз по сравнению с обнаруженным в настоящее время РИ.

Учёные просуммировали 13 лет наблюдений за гамма-излучением на Fermi LAT с энергией выше 3 миллиардов электрон-вольт (ГэВ); для сравнения, видимый свет имеет энергию от 2 до 3 электрон-вольт. Они удалили все установленные источники и вычли плоскость нашей галактики Млечный Путь, чтобы проанализировать внегалактический гамма-фон.

“Мы обнаружили гамма-диполь, но его пик расположен на южной части неба, далеко от РИ, и его величина в 10 раз превышает ту, которую мы ожидали бы от движения нашей системы”, – говорит соавтор Крис Шрадер, астрофизик из Католического университета Америки в Вашингтоне и Годдарда. “Хотя это не то, что мы искали, мы подозреваем, что это может быть связано с аналогичной особенностью, также отличающейся наличием космических лучей самой высокой энергии”.

Космические лучи – это ускоренные заряженные частицы, в основном протоны и атомные ядра. Самые редкие и энергичные частицы, называемые UHECR (ультравысокоэнергетические космические лучи), обладают энергией, более чем в миллиард раз превышающей энергию гамма-лучей с энергией 3 ГэВ, и их происхождение остаётся одной из самых больших загадок в астрофизике.

Вверху: Карта внегалактических гамма-лучей всего неба, на которой центральная плоскость нашей галактики, показанная тёмно-синим цветом, где данные были удалены, проходит через середину. Красная точка и кружки указывают примерное направление, откуда, по-видимому, приходит больше гамма-лучей, чем в среднем. Внизу: Похожая карта всего неба, показывающая распределение космических лучей сверхвысоких энергий, обнаруженных обсерваторией Пьера Оже в Аргентине. Красным цветом отмечены направления, откуда прилетает большее, чем в среднем, количество частиц, синим – направления, откуда прилетает меньше, чем в среднем. На этом видео карта Ферми накладывается на карту космических лучей, иллюстрируя сходство направлений диполей.

С 2017 года обсерватория Пьера Оже в Аргентине сообщает о наличии диполя в направлении прихода UHECR. Будучи электрически заряженными, космические лучи отклоняются магнитным полем галактики на разную величину в зависимости от их энергии, но диполь UHECR достигает максимума в небе, подобно тому, что команда Кашлинского обнаруживает в гамма-лучах. И оба явления имеют поразительно схожие масштабы – примерно на 7% больше гамма-лучей или частиц, чем в среднем, приходящих с одного направления, и соответственно меньшее количество, приходящее с противоположного направления.

Учёные считают, что, скорее всего, эти два явления связаны между собой – неизвестные (пока) источники производят и гамма-лучи, и частицы сверхвысоких энергий. Чтобы решить эту космическую загадку, астрономы должны либо обнаружить эти таинственные источники, либо предложить альтернативные объяснения обоих явлений.

Космический гамма-телескоп Ферми – это партнёрство в области астрофизики и физики частиц, управляемое Годдардом. Ферми” был разработан в сотрудничестве с Министерством энергетики США при значительном вкладе академических институтов и партнёров из Франции, Германии, Италии, Японии, Швеции и США.

Для любознательных

Космос никогда не был тихим местом, но некоторые из его «сигналов» заставляют астрофизиков полностью переосмысливать законы физики. Одной из самых интригующих загадок последних лет стало аномальное поведение внегалактических гамма-лучей — потоков света сверхвысокой энергии, прилетающих к нам из глубокого космоса. Вопреки известным моделям, эти фотоны умудряются преодолевать миллиарды световых лет там, где они должны были неминуемо погибнуть.

Что такое гамма-лучи и почему они должны исчезать?

Гамма-излучение — это самая жесткая и энергетически насыщенная форма электромагнитного излучения во Вселенной. Его кванты (фотоны) рождаются в ходе наиболее катастрофических событий: при взрывах сверхновых, слиянии нейтронных звезд или в окрестностях сверхмассивных черных дыр в центрах активных галактик (блазаров).

Когда такой фотон сверхвысокой энергии (ТэВ-ного диапазона) отправляется в путешествие сквозь межгалактическое пространство, его путь не является безопасным. Вселенная заполнена так называемым внегалактическим фоновым излучением (EBL) — «туманом» из реликтового излучения, а также света всех звезд и галактик, когда-либо существовавших в космосе.

Согласно законам стандартной квантовой физики, когда высокоэнергетический гамма-фотон сталкивается с низкоэнергетическим фотоном фонового излучения, они должны аннигилировать. Этот процесс порождает пару частиц — электрон и позитрон. В результате исходный гамма-луч просто исчезает, растворяясь в космической пустоте. Чем дальше находится источник гамма-лучей, тем выше плотность этого «тумана» на его пути и тем меньше шансов у фотона добраться до детекторов на Земле.

Суть аномалии: прозрачная Вселенная

Странность обнаружилась, когда наземные черенковские телескопы (такие как MAGIC, H.E.S.S. и VERITAS), регистрирующие слабые вспышки от гамма-лучей в атмосфере Земли, начали фиксировать сигналы от очень далеких блазаров.

Расчеты показывали, что фотоны с энергией в десятки тераэлектронвольт (ТэВ), зародившиеся в галактиках на расстоянии миллиардов световых лет, должны были полностью поглотиться межгалактической средой. На практике же датчики зафиксировали неожиданно плотный поток этих частиц. Для таких энергий Вселенная оказалась необъяснимо «прозрачной».

Это странное поведение ученые называют «аномальной прозрачностью Вселенной для гамма-лучей». Существует несколько гипотез, пытающихся объяснить этот парадокс, и каждая из них балансирует на грани Новой физики.

Гипотеза первая: Аксионоподобные частицы (АПЧ)

Одно из самых популярных объяснений привлекает физику за пределами Стандартной модели. Ученые предположили существование аксионов — гипотетических сверхлегких частиц, которые могут являться кандидатами на роль темной материи.

Согласно этой теории, вблизи своего источника (где действуют мощные магнитные поля блазара) высокоэнергетический гамма-фотон может превратиться в аксионоподобную частицу. Аксионы практически не взаимодействуют с обычным светом и веществом, поэтому межгалактический «туман» для них абсолютно невидим. Они беспрепятственно пролетают миллиарды световых лет. Когда же АПЧ подлетает к нашей Галактике, она проходит сквозь магнитное поле Млечного Пути и снова превращается в исходный гамма-фотон, который благополучно регистрируют земные приборы. Если это так, то гамма-лучи просто используют аксионы как «плащ-невидимку» для опасного путешествия.

Гипотеза вторая: Нарушение Лоренц-инвариантности

Еще более радикальное объяснение бьет по фундаментальным основам теории относительности Эйнштейна. Лоренц-инвариантность утверждает, что скорость света в вакууме постоянна для всех наблюдателей и не зависит от энергии самих фотонов.

Однако некоторые квантовые теории гравитации предполагают, что на экстремально малых масштабах (планковская длина) пространство-время имеет ячеистую или пенистую структуру. Для фотонов сверхвысоких энергий эта «пена» может менять правила игры. Нарушение Лоренц-инвариантности могло бы приводить к тому, что пороговая энергия для рождения электрон-позитронных пар смещается. Простыми словами, реакция аннигиляции усложняется, и гамма-лучи теряют способность эффективно взаимодействовать с фоновым излучением, из-за чего они долетают до Земли целыми и невредимыми.

Гипотеза третья: Переоценка космического «тумана»

Самое консервативное объяснение заключается в том, что человечество ошибается в своих расчетах плотности внегалактического фонового излучения. Возможно, межгалактическое пространство гораздо чище, а звездного света в нем меньше, чем принято считать. Однако современные астрономические модели развиты достаточно хорошо, и просто «уменьшить» количество фонового света в несколько раз, чтобы подогнать под данные наблюдений, без противоречия с другими открытиями уже невозможно.

Что дальше?

Автор: Вячеслав Голованов @SLY_G
Источник: https://habr.com/