Квазары: космические ускорители с сюрпризом
Любопытство с античных времен вынуждало человека исследовать, как устроена природа. Первые философы задействовали в исследованиях органы чувств: наблюдали за движением Солнца, Луны, видимых с Земли планет и далеких звезд. Предшественники нынешних кандидатов и докторов наук ощущали кожей тепло и холод, потоки воздуха, слышали свист ветра, пробовали на вкус соленую и пресную воду. Это был уровень разделения природы на составляющие объекты и процессы, которые связаны друг с другом.
Наблюдения обернулись численными таблицами данных, по которым ученые вывели первые законы. Чтобы глубже проникнуть в тайны привычных явлений, люди от молчаливого созерцания перешли к активному участию в происходящих в природе процессах: делали растворы, создавали новые химические соединения — работали на молекулярном уровне. Атомистические представления крепли. То, что мир состоит из крошечных частиц, уже никого не удивляло.
Развитие химии и электротехники вынудило исследователей окончательно разрушить миф о неделимости атомов. В них обнаружили отрицательно заряженные электроны. Открытие радиоактивности — таинственных невидимых лучей, которые изменяли каким-то образом свойства привычных веществ, закономерно привело к открытию атомного ядра — плотного положительно заряженного «сгустка» в центре атома, в котором сосредоточено более 99% его массы.
Ядерная физика принесла с собой и новые ответы, и еще более сложные загадки. Оказалось, что и ядро не конечный этап деления материи на составляющие. Оно состоит из особых частиц нуклонов, сильно взаимодействующих друг с другом, вне зависимости от заряда с помощью сил нового типа — ядерных.
Проникнуть дальше вглубь вещества каждый раз было все труднее. Одно дело визуально отделить звезды от небосвода, другое — «разорвать» на составляющие ядро атома урана и получить бонусом кучу энергии на атомной электростанции. Но каждый раз «обломки» материи рассказывали удивительные вещи о мире, в котором мы живем.
«Путешествие» в структуру вещества похоже на ремонт в старом доме. Сначала глаз разглядит цветочки на обоях, затем шпателем эти обои придется содрать, после этого просверлить, где надо стены, перфоратором или дрелью, а при большом желании — снести их экскаватором. Каждый раз требуется более серьезный инструмент.
В науке происходит примерно то же, что и при ремонте: с каждым уровнем усложняется оборудование. Глаз, лупа, микроскоп, рентгеновская трубка и пленка, атомный реактор и, наконец, ускоритель частиц. Узнать, какие тайны скрывает ядро, можно только если получить частицы огромных энергий. Это и есть одна из задач, которые решают на Большом адронном коллайдере. На нем уже было открыто такое множество элементарных частиц, что ученые до сих пор не знают, что с ними делать.
Но, какими бы упорными ни были люди науки при создании ускорителей, им ни за что не обогнать природу. Энергия космического излучения на много порядков превышает энергию частиц, разогнанных на коллайдере. Самыми мощными «ускорителями» во Вселенной считаются квазары — ярчайшие объекты на небосклоне, открытые в 50-х годах. Эти «квазизвездные» объекты или объекты, похожие на звезды, отправляют в космос излучение, которое даже не умещается на школьной диаграмме электромагнитного спектра — настолько высока его энергия.
Спустя годы исследований, ученые поняли, что квазары — это так называемые активные ядра галактик, их центральные области с большим скоплением массы. Но испускаемое ядрами галактик излучение не было похоже на излучение звезд, и исследователи поняли, что есть там что-то еще. Позже выяснилось, что в центрах крупных галактик обычно располагаются черные дыры. Черные дыры обладают огромной массой и силами чудовищной гравитации стягивают на себя окружающее вещество.
Вокруг черных дыр вращается аккреционный диск из материи. Заряженные частицы, двигаясь по этому кругу с бешеными скоростями, излучают электромагнитные волны высочайших энергий — гамма-излучение. Ранее ученые полагали, что ускоряющей силой в квазаре является именно центральная область активного ядра галактики. Но недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature, показало, что мощное гамма-излучение исходит также от гигантских плазменных струй, выбрасываемых из центральных областей квазаров на расстояния в тысячи световых лет.
Изображение струи, вылетающей из аккреционного диска черной дыры в центре галактики Центавр А
Длина струи — около 30 тысяч световых лет
Наблюдения галактики Центавр А с помощью стереоскопической системы HESS в Намибии помогли обнаружить гамма-излучение, генерируемое ускоренными частицами в струях, вылетающих из аккреционного диска. Энергия частиц в ускорителях зависит от длины установки: чем больше путь ускорения, тем выше энергия частиц и генерируемого ими гамма-излучения. Земные установки не превышают десятков километров. Можно представить, на сколько больше энергия частиц, ускоряемых на длине тысяч световых лет!
Если будущие исследования подтвердят, что и другие квазары испускают гамма-излучение по длине своих плазменных струй, то ученые получат новое объяснение фоновому гамма-излучению, идущему к нам из глубин космоса. Черенковский массив телескопов (CTA) вскоре заработает в полную силу, и астрономы получат еще больше информации о гамма-сигналах из Центавра А и других галактик с активным ядром в центре.
