Калифорнийские астрофизики обнаружили гигантский поток электронов и позитронов, который видим в рентгеновском диапазоне. Он протянулся по небу на половину диаметра Луны и исходит из окрестностей крошечного пульсара, стремительно несущегося по Галактике. Подробнее о том, как малое порождает великое и как такие потоки сказываются на балансе материи и антиматерии, читайте в нашем материале.
Американские астрономы с помощью космической обсерватории Chandra запечатлели узкий поток материи и антиматерии длиной в семь световых лет. Электроны и позитроны в ней движутся со скоростью в одну треть от световой. Их источник — гамма-пульсар PSR J2030+4415.
Пульсары — это одна из разновидностей нейтронных звёзд. Они представляют собой сверхплотные ядра погибших массивных звёзд, взорвавшихся как сверхновые. Диаметр типичных нейтронных звёзд составляет несколько десятков километров, а масса превышает массу Солнца, по крайней мере, в 1,4 раза. Вещество в таких объектах находится в состоянии нейтронного вырождения, когда нейтроны расположены так близко друг к другу, что начинают испытывать квантовомеханические эффекты по принципу Паули. Это создаёт мощное давление, которое удерживает ядро от дальнейшего гравитационного коллапса в чёрную дыру.
Среди остальных нейтронных звёзд классические радиопульсары выделяются тем, что генерируют узкие пучки радиоизлучения, исходящие из их магнитных полюсов. У некоторых из них пучок может «пробегать» по области неба, где находится Земля, из-за чего наблюдатель будет видеть периодические вспышки излучения. Этот эффект проявляется только когда луч попадает в Землю, так что пульсаров на самом деле больше, чем мы можем увидеть. Существуют также рентгеновские и гамма-пульсары, к последним относится PSR J2030, который, как считается, порождает гамма-кванты за счёт синхротронного излучения заряженных частиц пульсарного ветра в магнитном поле.
J2030 открыт в январе 2012 года в ходе анализа данных наблюдений космического гамма-телескопа Fermi. Этот объект расположен приблизительно в 1 600 световых годах от Солнца. Пульсар совершает три оборота в секунду вокруг своей оси, а его диаметр равен 16-20 километрам. Скорость его движения по галактике достигает 450 километров в секунду. Пульсар напоминает космическую пулю — вдоль его движения расходятся волны плотности, это немного напоминает спецэффект с пулей из «Матрицы». Такую скорость он мог приобрести в ходе асимметричного взрыва сверхновой, либо же из-за гибели звезды-компаньона. В 2020 году учёные сообщили об обнаружении исходящей от J2030 нитевидной структуры, видимой в рентгеновском диапазоне. Струя не уместилась на снимке целиком, поэтому авторам работы понадобились дополнительные наблюдения, чтобы оценить масштаб явления. В результате астрономы выяснили, что размер структуры в три раза превышает первоначальные оценки. Но что это за струя?
Как и многие другие пульсары, J2030 испускает пульсарный ветер, состоящий из электронов и позитронов. По сути это явление напоминает солнечный ветер, но управляющие явлением магнитные поля несоизмеримо мощнее. Сталкиваясь с межзвёздной средой и галактическим магнитным полем, пульсарный ветер замедляется и образует стоячую волну плотности — головную ударную волну. Земным аналогом этого явления будет круг воды в раковине под струёй из-под крана. Обычно такая волна движется перед звездой, но в некоторых случаях, например, встретившись с областью повышенной плотности межзвездной среды, замедляется.
Судя по изображениям в оптическом диапазоне, именно это и случилось с J2030. Натолкнувшись на невидимое нам препятствие, головная ударная волна замедлилась, и гамма-пульсар нагнал и пробил её. Пульсарный ветер начал формирование нового пузыря со второй головной ударной волной. Однако в момент пробития произошло пересоединение магнитного поля пульсара с межзвёздным магнитным полем. В коконе, который удерживал пульсарный ветер, образовалась брешь. Через неё в межзвёздное пространство устремился узкий поток электронов и позитронов, которые стали ускоряться в магнитном поле галактики, в результате чего возникло синхротронное излучение в рентгеновском диапазоне. Начался этот процесс примерно за 20-30 лет до наблюдаемого момента.
Масштаб явления в прямом смысле астрономический. Объект диаметром с небольшой город порождает структуру, которую видно за тысячи световых лет. Мощный электрон-позитронный луч бьёт под углом в 130 градусов к направлению движения пульсара. Как именно поток пробивает стенку нового пузыря пока непонятно, но тому, кто окажется на его пути, явно не позавидуешь.
Учёные давно заметили, что хотя в нашей Вселенной доминирует материя, на земные детекторы в виде космических лучей слишком часто попадают частицы антиматерии — позитроны. Их источник науке неизвестен. Однако наблюдение за электрон-позитронным потоком, бьющем от пульсара J2030, натолкнуло учёных на мысль, что такие явления могут быть подходящим объяснением. Для доказательства этого предположения, разумеется, нужны дополнительные наблюдения.
Автор: Дмитрий Логинов
Источники: arxiv.org, iopscience.iop.org, arxiv.org
