Ферми показал, что звезда Тихо светит в гамма-лучах

В начале ноября 1572 года, наблюдатели на Земле стали свидетелями появления "новой звезды" в созвездии Кассиопеи. Это событие в настоящее время признается самой яркой видимой невооруженным глазом сверхновой, за более чем 400 лет. Ее часто называют "сверхновой Тихо Браге", в честь великого датского астронома Тихо Браге, который получил известность за всестороннее изучение объекта. Данные, собранные Ферми, космическим гамма-телескопом НАСА, показывают, что остатки разрушенной звезды излучают высокоэнергетические гамма-лучи.

Открытие дает астрономам еще один ключ к пониманию происхождения космических лучей и элементарных частиц, в основном протонов, которые движутся в пространстве со скоростью близкой к скорости света. Где именно и каким образом эти частицы достигают таких невероятных энергий - давняя тайна, поскольку заряженные частицы, проносящиеся через галактику, легко отклоняются межзвездными магнитными полями. Это делает невозможным отслеживание источников космических лучей.

"К счастью, гамма-лучи высоких энергий возникают при попадании космических лучей в межзвездный газ и звезды. Эти гамма-лучи приходят к Ферми прямо от источников", говорит Франческо Джордано из Университета Бари и Национального института ядерной физики в Италии. Он является ведущим автором статьи, описывающей результаты открытия в выпуске Astrophysical Journal Letters от 7 декабря.

Лучшее понимание происхождения космических лучей является одной из ключевых целей Ферми. Его Large Area Telescope (LAT) сканирует все небо каждые три часа, постепенно создавая все более глубокий вид гамма-неба. Поскольку гамма-лучи являются наиболее энергичным и проникающим видом света, они служат указателями для ускоренных частиц, приводящих к возникновению космических лучей.

"Это открытие  дает нам еще одно свидетельство того, что остатки сверхновых могут ускорить космические лучи", говорит соавтор Стефан Фанк, астрофизик из Института астрофизики и космологии частиц Кавли (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, KIPAC).

В 1949 году физик Энрико Ферми - тезка спутника - предположил, что высокоэнергичные космические лучи ускоряются в магнитных полях межзвездного газа. В последующие десятилетия, астрономы показали, что остатки сверхновых могут быть лучшими кандидатами для этого процесса.

Когда звезда взрывается, она превращается в остаток сверхновой, быстро расширяющейся оболочки горячего газа, ограниченной ударной волной взрыва. Ученые полагают, что магнитные поля по обе стороны фронта ударной волны могут задерживать частицы между ними, что похоже на субатомную игру в пинг-понг.

"Магнитные поля остатка сверхновой по земным меркам очень малы, но они распространяются на обширную область, охватывая тысячи световых лет. Они имеют большое влияние на движение заряженных частиц", говорит соавтор Мелитта Науманн-Годо из Парижского университета Дидро и Комиссии по атомной энергии в Сакле, Франция, возглавлявшей исследование с Джордано.

Поскольку частицы движутся туда и обратно через ударную волну сверхновой, они получают энергию с каждым пересечением. В конце концов они вырываются из магнитной ловушки, покидают остатки сверхновой и свободно бродят по галактике.

Продолжающийся обзор неба LAT предоставляет дополнительные доказательства в пользу этого сценария. Многие молодые остатки, такие как Тихо, как правило, производят гамма-лучи более высоких энергий, чем старые остатки. "Гамма-лучи отображают энергию ускоренных частиц, которые их производят, и мы ожидаем, что больше космических лучей будет ускорено до более высоких энергий в самых молодых объектах, потому что их ударные волны и запутанные магнитные поля сильнее", добавил Фанк. Напротив, старые остатки, с более слабыми ударными волнами, не могут удержать высокоэнергичные частицы, и LAT не обнаруживает гамма-лучи с соответствующими энергиями.

Сверхновая 1572 г. была одним из великих водоразделов в истории астрономии. Звезда вспыхнула в тот момент, когда звездное небо считалось постоянной и неизменной частью вселенной. Откровенное мнение Тихо, считавшего собственное открытие странной звездой, дает представление о том, насколько радикальным было это событие.

Сверхновая впервые появилась примерно 6 ноября, но плохая погода скрывала ее от Тихо до 11 ноября, когда он заметил ее во время прогулки перед обедом. "Когда я убедился, что звезда такого рода никогда не сияла раньше, я пришел в такое недоумение от невероятности происходящего, что начал сомневаться в собственных глазах, и поэтому, обратился к слугам, которые были вместе со мной, видят ли они чрезвычайно яркую звезду .... Они тут же в один голос ответили, что видят ее и, что она чрезвычайно яркая", вспоминает он.

Сверхновая оставалась видимой в течение 15 месяцев и не проявляла никакого движения на небе, указывая на то, что она находится далеко за пределами Солнца, Луны и планет. Современные астрономы считают, что остаток находится на расстоянии 9000-11000 световых лет от Земли.

После более чем двух с половиной лет сканирования неба, данные LAT ясно показывают, что нерешенные области ГэВ (миллиард электрон-вольт) гамма-излучения связаны с остатками сверхновой Тихо Браге. (Для сравнения, энергия видимого света составляет примерно от 2 и 3 электрон-вольт).