Фотон-фотонное поглощение γ-квантов в спектрах блазаров

Самыми яркими объектами во Вселенной являются квазары: многие светят в 100 или даже 1000 раз ярче нашей Галактики. В современном понимании они ассоциируются со сверхмассивными черными дырами в центрах галактик. Но самое интересное — зачастую они выбрасывают узкие струи (джеты) замагниченной плазмы со скоростями, отличающимися от скорости света меньше чем на 1% (см. рис. 1). Если этот джет направлен точно на нас, мы называем объект «блазаром». Возникает эффект прожектора: мы видим источник, который нам кажется в миллион раз ярче нашей Галактики, хотя на самом деле его светимость выше всего лишь в 1000 раз. Блазары светят во всех спектральных диапазонах, от радио- до жестких гамма-лучей, и видны с очень больших расстояний.

Рис. 1. Джеты квазара Лебедь А в радиодиапазоне. Размах лопастей – сотни тысяч световых лет. Для тех, кто находится прямо по направлению одной из струй, объект является блазаром
Фотон-фотонное поглощение — обратный процесс для аннигиляции электронов с позитронами: если суммарная энергия фотонов в системе центра инерции превышают удвоенную массу электрона, пара фотонов может превратиться в электрон-позитронную пару. В космосе этот процесс должен быть достаточно распространен: фотон большой энергии, рожденный ускоренными электронами, легко поглощается фотоном малой энергии, излученным нагретым веществом.

В прошлом году международная гамма-обсерватория «Ферми», запущенная NASA в космос два года назад (см. http://fermi.gsfc.nasa.gov), обнаружила, что в спектральном распределении ярких блазаров имеются резкие изломы на энергиях в несколько ГэВ (т.е. примерно в 10 000 раз превышающих массу покоя электрона). Это неожиданное явление не нашло никакого разумного объяснения. Загибы в спектрах ожидались на энергиях 25−30 ГэВ из-за поглощения этих у-квантов фотонами мощных водородных линий серии Лаймана, максимальной энергии 13,6 электрон-вольта. Команда «Ферми» в своей статье (http://arxiv.org/abs/1001.4097) констатировала, что изломы в этом диапазоне не могут быть объяснены поглощением гамма-квантов (нечем поглощать), поэтому эффект должен быть связан с физикой ускорения частиц. Однако, придумать такой фокус в физике ускорения частиц, который дает столь резкий излом в спектрах, пока никто не смог, и вряд ли это вообще возможно.

В недавней статье J. Poutanen & B. Stern, Astrophysical Journal Letters, 717, L118 (http://arxiv.org/abs/1005.3792) феномен находит достаточно простое объяснение: поглощать γ-кванты все-таки есть чем. Дело в том, что вблизи квазара кроме водорода, излучающего серию Лаймана, есть еще и гелий, в том числе и полностью ионизованный гелий (He II), излучающий фотоны ровно в 4 раза большей энергии. Никто не может наблюдать этих фотонов — они поглощаются в межзвездном пространстве, но они обязаны быть, от них некуда деться.

Сильное излучение водорода и гелия, способное поглощать — кванты больших энергий, генерируется на расстоянии световых месяцев или световых недель от квазара.

Там много газа, ионизуемого квазаром: чем ближе к квазару, тем сильнее ионизация, тем плотнее излучение газа, тем больше оно способно поглощать γ-кванты. Эта область называется областью широких эмиссионных линий.

Рис. 2. Спектры четырех самых ярких блазаров, имеющих изломы в спектрах (кресты ошибок), подогнанные моделью «аннигиляции» ГэВ-ных гамма-квантов с рекомбинационным излучением He II (первая «впадина») и водорода (вторая «впадина»). У RGB J0920 первая впадина отсутствует, а вторая находится левее, чем у других, из-за большого красного смещения объекта (z=2.19).
Авторы цитированной выше статьи сделали следующее:

— С помощью существующего кода промоделировали излучение в области широких линий и показали, что при сильной ионизации, действительно возникает излучение He II, достаточно интенсивное, чтобы поглотить заметную часть γ-квантов.

— Обработав исходные данные Ферми (которые находятся в открытом доступе в сети), построили спектры нескольких самых ярких блазаров и подогнали их простой моделью степенного спектра с поглощением на пиках рекомбинационного излучения гелия-II и водорода.

Результаты показаны на рис. 2. Согласие и на глаз, и по критерию «хи-квадрат» адекватное. У разных объектов степень поглощения разная. Есть, по крайней мере один, у которого поглощение происходит только на водороде. У некоторых объектов вообще не видно поглощения. Оно и не обязано быть сильным у всех объектов — наоборот, есть такие квазары, где излучение в области широких линий недостаточно интенсивно. Нет ни одного спектра блазара, где есть хорошо выраженный излом, не описывающийся поглощением на излучении гелия и водорода. Таким образом, вырисовывается достаточно ясная картина, главное достоинство которой — простота и очевидность.

Главный вывод заключается в том, что джеты квазаров излучают γ-кванты высоких энергий достаточно близко к «центральной машине» квазара, каковой является сверхгигантская черная дыра. Это внутренняя часть области широких линий, размер, которой — не более светового месяца (1017 см) для самых ярких квазаров или даже меньше. До сих пор многие теоретики считают, что излучение происходит на масштабе 1019 см — в 100 раз дальше. Результат отсеивает многие теории излучения джетов и заставляет напрячься людей, занимающихся «запуском джетов»: на расстоянии не более 1000 гравитационных радиусов черной дыры джет оказывается ускоренным до релятивистских скоростей и уже вовсю излучает γ-кванты высоких энергий.

Другое значение эффекта — он позволяет обнаружить жесткое излучение He II, которое невозможно зарегистрировать напрямую. При этом γ-спектры блазаров приобретают роль инструмента исследования. Точность измерения красного смещения по положению излома пока недостаточна — не лучше 50% для самых ярких объектов.

Ю.Л., Б.Ш.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: