Астрономический объект под названием SS 433, обнаруженный в конце 1970-х годов, спустя годы продолжает вызывать интерес у исследователей. Этот объект излучает рентгеновское излучение в центре газовой туманности.

SS 433 является двойной звёздной системой, состоящей из чёрной дыры массой примерно в десять раз больше Солнца и звезды с похожей массой, но занимающей значительно больший объём. Эти объекты вращаются вокруг друг друга со средним периодом в 13 дней.

Изображение художника системы SS 433: крупномасштабные струи (синим) и окружающая их туманность (красным). Первоначально джеты можно наблюдать только на небольшом расстоянии от микроквазара — они слишком малы, чтобы их можно было увидеть на этом изображении. Затем струи проходят незамеченными расстояние около 75 световых лет (25 парсеков), прежде чем претерпевают трансформацию, появляясь вновь как яркие источники рентгеновского и гамма-излучения. В этой области частицы ускоряются, что, вероятно, указывает на наличие сильной ударной волны, способной ускорять частицы. Источник:

Гравитационное поле чёрной дыры притягивает материал с поверхности звезды, который образует горячий газовый диск, питающий чёрную дыру. При падении материи в чёрную дыру, два узких струйных пучка заряженных частиц (плазмы) падают перпендикулярно плоскости диска со скоростью, приближающейся к четверти от скорости света.

Струи SS 433 наблюдаемы в диапазонах от радио до рентгеновской областей на расстоянии менее одного светового года от центральной двойной звезды. Однако на расстоянии около 75 световых лет от источника, струи внезапно становятся яркими источниками рентгеновского излучения. Почему происходит эта вспышка долгое время оставалось загадкой.

Подобные релятивистские джеты наблюдаются и из центров активных галактик (например, квазаров), хотя эти джеты по размерам значительно превосходят струи SS 433. По этой аналогии объекты типа SS 433 классифицируются как микроквазары. До недавнего времени наблюдение гамма-лучей от микроквазаров было невозможным. Однако в 2018 году комплекс черенковских телескопов, предназначенный для обнаружения космических гамма-лучей H.E.S.S. Observatory обнаружил высокоэнергетические гамма-лучи от струй SS 433. Это обнаружение указывает на то, что частицы внутри струй ускоряются до экстремальных энергий.

Однако до сих пор не было ясно, как и где именно происходит ускорение частиц. Изучение гамма-лучей, испускаемых SS 433, имеет важное преимущество: хотя джеты SS 433 в 50 раз меньше, чем у ближайшей активной галактики (Центавр А), SS 433 расположена внутри Млечного Пути в тысячу раз ближе к Земле. Как следствие, видимый размер джетов SS 433 намного больше, и, следовательно, их свойства легче изучать с помощью гамма-телескопов нынешнего поколения.

Исследователи из обсерватории H.E.S.S. провели кампанию наблюдения за системой SS 433. Благодаря превосходному угловому разрешению и высокой точности телескопов, они смогли точно определить место источника гамма-излучения внутри струй. Это оказалось весьма интересным открытием.

Самым значительным результатом исследования стало обнаружение сдвига положения гамма-излучения в зависимости от его энергии. Частицы гамма-лучей с самыми высокими энергиями были обнаружены только в точке повторного появления струй. Вместе с тем, частицы с более низкими энергиями были обнаружены в более удалённых областях струй.

Это наблюдение говорит о том, что гамма-излучение в джетах потоках зависит от энергии. Исследователи были удивлены таким результатом, так как не ожидали, что ускорение частиц происходит именно в точке повторного появления струй.

«Это первое наблюдение такой зависимости формы гамма-излучения от энергии. Концентрация фотонов с самыми высокими энергиями в точке повторного появления струй означает, что ускорение частиц происходит именно там, что стало неожиданным открытием», — пояснила Лаура Оливера-Ньето из Института в Институте ядерной физики имени Макса Планка, возглавившая исследование SS 433.

Это исследование позволило значительно продвинуться в понимании процессов, происходящих в релятивистских джетах. С помощью моделирования наблюдаемой зависимости гамма-излучения от энергии была оценена скорость таких джетов. 

Оказалось, что разница между скоростью, с которой испускаются джеты, и скоростью их движения указывает на существование сильного удара — резкого перехода в свойствах среды, который ускоряет частицы дальше. Ударная волна может также объяснить появление рентгеновских джетов, так как ускоренные электроны порождают рентгеновское излучение. Обратный комптоновский эффект объясняет, как быстрые частицы передают свою энергию лёгким частицам — это происходит при наблюдении гамма-фотонов высоких энергий.

Брайан Ревилль, группы астрофизической теории плазмы в Институте ядерной физики имени Макса Планка, поясняет: «О возникновении ускорения частиц в этой системе было множество домыслов. И их больше нет: результат действительно определяет место ускорения, природу ускоренных частиц и позволяет исследовать движение крупномасштабных джетов, испускаемых чёрной дырой». Джим Хинтон, директор Института ядерной физики в Институте ядерной физики Макса Планка, пояснил, что результаты полностью развеяли ранее существовавшие догадки и внесли ясность в сложные механизмы ускорения частиц.

Составные изображения SS 433, показывающие три различных диапазона энергии гамма-излучения. На радионаблюдениях зеленым цветом показана туманность, а микроквазар виден в виде яркой точки в центре изображения. Сплошными линиями показаны контуры рентгеновского излучения из центральных областей и крупномасштабных струй после их повторного появления. Красные цвета представляют собой гамма-излучение, обнаруженное HESS при низких (0,8–2,5 ТэВ, слева), промежуточных (2,5–10 ТэВ, в центре) и высоких (> 10 ТэВ, справа) энергиях. Положение гамма-излучения смещается дальше от источника по мере уменьшения энергии. Источник:

Однако пока что остаётся загадкой сам процесс образования ударной волны. Ни одна существующая модель пока не в состоянии единообразно объяснить все свойства джетов. Оливера-Ньето планирует дальнейшее исследование этого вопроса, который имеет важное значение, поскольку относительная близость исследуемой системы предоставляет уникальную возможность изучать ускорение частиц в джетах. Результаты такого исследования могут в будущем быть использованы при наблюдениях джетов квазаров, открывая новые горизонты в изучении наиболее энергичных космических лучей.

Для наблюдения высокоэнергетических гамма-лучей требуется использование особого приёма. При входе гамма-кванта в атмосферу Земли происходит столкновение с атомами и молекулами, в результате которого образуются новые частицы. Именно эти частицы, подобно лавине, устремляются к Земле и испускают черенковское излучение, которое можно наблюдать с помощью специально оборудованных больших наземных телескопов.

Гамма-астрономия использует атмосферу как гигантский люминесцентный экран. Обсерватория H.E.S.S., расположенная в Хайландсе Хомас в Намибии на высоте 1835 метров, играет большую роль в исследовании высокоэнергетического гамма-излучения. Оборудованная массивом из пяти телескопов, которые включают в себя четыре зеркала диаметром 12 метров и одно зеркало с диаметром 28 метров, она является крупнейшей и наиболее чувствительной системой черенковских телескопов. H.E.S.S. позволяет обнаруживать гамма-излучение в диапазоне от нескольких до нескольких десятков тераэлектронвольт, что позволяет исследовать самые высокие энергии в мире.