«Наш анализ предполагает, что тот же самый пульсар может быть ответственным за десятилетнюю загадку о том, почему один тип космических частиц необычно распространен возле Земли», – сказал Маттиа Ди Мауро, астрофизик из Католического университета Америки в Вашингтоне и космического агентства Годдарда НАСА. Полетный центр в Гринбелте, штат Мэриленд. "Это позитроны, электронная версия антивещества, пришедшая откуда-то за пределами Солнечной системы."
Документ с подробным описанием результатов был опубликован в журнале Physical Review D. 17.
Нейтронная звезда – это раздавленное ядро, оставшееся после того, как звезда, намного более массивная, чем Солнце, исчерпывает топливо, коллапсирует под собственным весом и взрывается как сверхновая.
Мы видим некоторые нейтронные звезды как пульсары, быстро вращающиеся объекты, испускающие лучи света, которые, подобно маяку, регулярно пересекают наш луч зрения.
Геминга (произносится как geh-MING-ga), открытый в 1972 году на малом астрономическом спутнике НАСА 2, является одним из самых ярких пульсаров в гамма-лучах. Он расположен примерно в 800 световых годах от нас в созвездии Близнецов. Имя Геминги является одновременно игрой фразы «Источник гамма-излучения Близнецов» и выражением «его там нет», что относится к неспособности астрономов найти объект при других энергиях – на диалекте Милана, Италия.
Геминга была окончательно идентифицирована в марте 1991 года, когда мерцающие рентгеновские лучи, полученные германской миссией ROSAT, показали, что источником является вращающийся пульсар 4.2 раза в секунду.
Пульсар естественным образом окружает себя облаком электронов и позитронов. Это связано с тем, что интенсивное магнитное поле нейтронной звезды отталкивает частицы от поверхности пульсара и ускоряет их почти до скорости света.
Электроны и позитроны относятся к числу быстрых частиц, известных как космические лучи, которые возникают за пределами Солнечной системы. Поскольку частицы космических лучей несут электрический заряд, их пути становятся затруднительными, когда они сталкиваются с магнитными полями на своем пути к Земле. Это означает, что астрономы не могут напрямую отследить их до их источников.
За последнее десятилетие измерения космических лучей Ферми, альфа-магнитный спектрометр НАСА (AMS-02) на борту Международной космической станции и другие космические эксперименты у Земли показали больше позитронов при высоких энергиях, чем ожидали ученые. Ближайшие пульсары, такие как Геминга, были главными подозреваемыми.
Затем, в 2017 году, ученые из Высотной водной Черенковской гамма-обсерватории (HAWC) возле Пуэблы, Мексика, подтвердили более ранние наземные обнаружения небольшого гамма-гало вокруг Геминги. Они наблюдали эту структуру при энергиях от 5 до 40 триллионов электрон-вольт – свет с энергией в триллионы раз большей, чем могут видеть наши глаза.
Ученые считают, что это излучение возникает, когда ускоренные электроны и позитроны сталкиваются с соседним звездным светом.
Столкновение усиливает свет до гораздо более высоких энергий. Основываясь на размере гало, команда HAWC пришла к выводу, что позитроны Геминги при этих энергиях редко достигают Земли. Если это правда, это будет означать, что наблюдаемый избыток позитронов должен иметь более экзотическое объяснение.
Но интерес к происхождению пульсаров продолжался, и Геминга была в центре внимания. Ди Мауро провел анализ данных о гамма-лучах Geminga за десятилетие, полученных с помощью телескопа Fermi Large Area Telescope (LAT), который наблюдает свет с более низкой энергией, чем HAWC.
«Чтобы изучить гало, нам пришлось вычесть все другие источники гамма-лучей, включая рассеянный свет, создаваемый столкновениями космических лучей с облаками межзвездного газа», – сказала соавтор Сильвия Манкони, научный сотрудник RWTH Ахенского университета в Германии. «Мы исследовали данные, используя 10 различных моделей межзвездного излучения."
То, что осталось, когда эти источники были удалены, было обширным продолговатым свечением, охватывающим около 20 градусов в небе с энергией 10 миллиардов электрон-вольт (ГэВ).
Это похоже на размер знаменитого звездного рисунка Большой Медведицы, а ореол становится еще больше при более низких энергиях.
"Частицы с более низкой энергией перемещаются намного дальше от пульсара, прежде чем они попадут в звездный свет, передают ему часть своей энергии и усиливают свет до гамма-лучей. Вот почему гамма-излучение охватывает большую площадь при более низких энергиях », – пояснил соавтор Фиоренца Донато из Итальянского национального института ядерной физики и Туринского университета. "Кроме того, ореол Геминги удлиняется отчасти из-за движения пульсара в пространстве."
Команда определила, что данные Fermi LAT совместимы с более ранними наблюдениями HAWC.
Только Геминга может быть ответственным за до 20% позитронов высоких энергий, обнаруженных в эксперименте AMS-02. Экстраполируя это на совокупное излучение всех пульсаров в нашей галактике, ученые говорят, что ясно, что пульсары остаются лучшим объяснением избытка позитронов.
«Наша работа демонстрирует важность изучения отдельных источников, чтобы предсказать, как они вносят вклад в космические лучи», – сказал Ди Мауро. "Это один из аспектов захватывающей новой области, называемой астрономией с несколькими мессенджерами, где мы изучаем Вселенную, используя множество сигналов, таких как космические лучи, в дополнение к свету."