Квазари: космічні прискорювачі з сюрпризом

Вчені дізналися дещо нове про гамма-випромінювання найбільших і яскравих об'єктів у Всесвіті - квазарів.

Цікавість з античних часів змушувала людину досліджувати, як влаштована природа. Перші філософи задіяли в дослідженнях органи почуттів: спостерігали за рухом Сонця, Місяця, видимих з Землі планет і далеких зірок. Попередники нинішніх кандидатів і докторів наук відчували шкірою тепло і холод, потоки повітря, чули свист вітру, пробували на смак солону і прісну воду. Це був рівень поділу природи на складові об'єкти і процеси, які пов'язані один з одним.

Спостереження обернулися чисельними таблицями даних, за якими вчені вивели перші закони. Щоб глибше проникнути в таємниці звичних явищ, люди від мовчазного споглядання перейшли до активної участі в процесах, що відбуваються в природі: робили розчини, створювали нові хімічні сполуки - працювали на молекулярному рівні. Атомістичні уявлення міцніли. Те, що світ складається з крихітних частинок, вже нікого не дивувало.

Розвиток хімії та електротехніки змусив дослідників остаточно зруйнувати міф про неподільність атомів. У них виявили негативно заряджені електрони. Відкриття радіоактивності - таємничих невидимих променів, які змінювали якимось чином властивості звичних речовин, закономірно призвело до відкриття атомного ядра - щільного позитивно зарядженого «згустку» в центрі атома, в якому зосереджено понад 99% його маси.

Ядерна фізика принесла з собою і нові відповіді, і ще більш складні загадки. Виявилося, що і ядро не кінцевий етап поділу матерії на складові. Воно складається з особливих частинок нуклонів, що сильно взаємодіють один з одним, незалежно від заряду за допомогою сил нового типу - ядерних.

Проникнути далі вглиб речовини щоразу було все важче. Одна справа візуально відокремити зірки від небосводу, інша - «розірвати» на складові ядро атома урану і отримати бонусом купу енергії на атомній електростанції. Але щоразу «уламки» матерії розповідали дивовижні речі про світ, в якому ми живемо.

«Подорож» у структуру речовини схожа на ремонт у старому будинку. Спочатку око розгледить квіточки на обоях, потім шпателем ці шпалери доведеться здерти, після цього просверлити, де треба стіни, перфоратором або дріллю, а при великому бажанні - знести їх екскаватором. Щоразу потрібен більш серйозний інструмент.

У науці відбувається приблизно те ж, що і при ремонті: з кожним рівнем ускладнюється обладнання. Око, лупа, мікроскоп, рентгенівська трубка і плівка, атомний реактор і, нарешті, прискорювач частинок. Дізнатися, які таємниці приховує ядро, можна тільки якщо отримати частинки величезних енергій. Це і є одне із завдань, які вирішують на Великому адронному колайдері. На ньому вже було відкрито таке безліч елементарних частинок, що вчені досі не знають, що з ними робити.

Але якими б наполегливими не були люди науки при створенні прискорювачів, їм ні за що не обігнати природу. Енергія космічного випромінювання на багато порядків перевищує енергію частинок, розігнаних на колайдері. Найпотужнішими «прискорювачами» у Всесвіті вважаються квазари - найяскравіші об'єкти на небосхилі, відкриті в 50-х роках. Ці «квазізвїзні» об'єкти або об'єкти, схожі на зірки, відправляють у космос випромінювання, яке навіть не вміщується на шкільній діаграмі електромагнітного спектру - настільки висока його енергія.

Через роки досліджень вчені зрозуміли, що квазари - це так звані активні ядра галактик, їх центральні області з великим скупченням маси. Але зіпсоване ядрами галактик випромінювання не було схоже на випромінювання зірок, і дослідники зрозуміли, що є там щось ще. Пізніше з'ясувалося, що в центрах великих галактик зазвичай розташовуються чорні діри. Чорні діри мають величезну масу і сили жахливої гравітації стягують на себе навколишню речовину.

Навколо чорних дір обертається акреційний диск з матерії. Заряджені частинки, рухаючись по цьому колу з шаленими швидкостями, випромінюють електромагнітні хвилі найвищих енергій - гамма-випромінювання. Раніше вчені вважали, що прискорюючою силою в квазарі є саме центральна область активного ядра галактики. Але недавнє дослідження, опубліковане в журналі Nature, показало, що потужне гамма-випромінювання виходить також від гігантських плазмових струменів, що викидаються з центральних областей квазарів на відстані в тисячі світлових років.

Зображення струменя, що вилітає з акреційного диска чорної діри в центрі галактики Центавр А

Довжина струменя - близько 30 тисяч світлових років

Спостереження галактики Центавр А за допомогою стереоскопічної системи HESS в Намібії допомогли виявити гамма-випромінювання, що генерується прискореними частинками в струменях, що вилітають з аккреційного диска. Енергія частинок у прискорювачах залежить від довжини установки: чим більший шлях прискорення, тим вища енергія частинок і генерованого ними гамма-випромінювання. Земні установки не перевищують десятків кілометрів. Можна уявити, на скільки більше енергія частинок, прискорюваних на довжині тисяч світлових років!

Якщо майбутні дослідження підтвердять, що й інші квазари випускають гамма-випромінювання за довжиною своїх плазмових струменів, то вчені отримають нове пояснення фонового гамма-випромінювання, що йде до нас з глибин космосу. Черенківський масив телескопів (CTA) незабаром запрацює на повну силу, і астрономи отримають ще більше інформації про гамма-сигнали з Центавра А та інших галактик з активним ядром в центрі.