Великая стена Геркулес — Северная Корона представляет собой огромную плоскую суперструктуру из галактик размером более 10 млрд световых лет. Она и прежде была сложна для объяснения в моделях Вселенной из-за своих невероятно огромных размеров. Теперь же на основе результатов наблюдений за вспышками гамма-излучения было установлено, что эта структура имеет ещё большие размеры, а некоторые её части находятся ближе к Земле, чем было принято думать.

Источник изображения: NASA Hubble Space Telescope / Unsplash

На деле суперструктура занимает значительно большую область, чем созвездия Геркулеса и Северной Короны. Она располагается в северном полушарии, а её центральная часть находится в районе созвездий Дракона и Геркулеса. Крупнейшая в наблюдаемой части Вселенной структура была открыта в 2013 году благодаря многолетним наблюдениям за гамма-излучением, проведённым учёными из Национального университета государственной службы в Будапеште и Чарльстонского колледжа в Южной Каролине, в том числе на основе данных космического телескопа Swift.

Любопытно, что открывшие структуру учёные не дали ей официального названия. Имя Hercules–Corona Borealis Great Wall она получила от филиппинского подростка по имени Джондрик Вальдес (Johndric Valdez), мечтающего стать астрономом. Однако это название не совсем точно отражает суть структуры, поскольку она имеет не вполне плоскую форму и охватывает область небесной сферы от созвездия Волопаса до Близнецов.

«Поскольку более точно масштабы Великой стены Геркулес — Северная Корона трудно определить, наиболее интересным открытием является то, что её ближайшие части расположены ближе к нам, чем считалось ранее», — прокомментировал недавнее исследование Джон Хаккила (Jon Hakkila) из Университета Алабамы в Хантсвилле.

Наша родная галактика Млечный Путь является частью другой суперструктуры под названием Ланиакея, диаметром 520 млн световых лет. Хотя очевидно, что Великая стена Геркулес — Северная Корона значительно больше, учёные отмечают, что её истинные масштабы на данный момент не определены. «Наша выборка гамма-всплесков недостаточно велика, чтобы установить более точные верхние пределы максимального размера Великой стены Геркулес — Северная Корона, чем мы уже имеем. Но, вероятно, она простирается дальше, чем 10 млрд световых лет, которые мы определили ранее. Она превышает размеры большинства объектов, с которыми её можно сравнить», — рассказал Джон Хаккила.

Гамма-излучение сыграло ключевую роль в открытии Великой стены Геркулес — Северная Корона в 2013 году, а также в последующих более глубоких исследованиях этой гигантской космической структуры. Учёные отмечают, что гамма-излучения связаны с умирающими звёздами или столкновениями двух мёртвых звёзд. Поскольку звёзды располагаются в галактиках, гамма-всплески могут служить индикатором местоположения галактик. Благодаря яркости таких всплесков можно зафиксировать присутствие галактики даже там, где её невозможно разглядеть с помощью существующих астрономических инструментов.

Причина, по которой такие структуры, как Великая стена Геркулес — Северная Корона, вызывают недоумение у учёных, отчасти связана с космологическим принципом, который лежит в основе большинства моделей космоса. Согласно этому принципу, Вселенная однородна и изотропна в больших масштабах, то есть должна выглядеть одинаково во всех направлениях. Однако отслеживание распределения материи на основе гамма-всплесков показывает, что это может быть не так. «Удивительно, что кластеризация гамма-всплесков гораздо сильнее выражена в северной части галактического неба, чем в южной», — объясняет Хаккила.

В своей новой работе он совместно с коллегами утверждает, что, согласно космологическому принципу, любая космическая структура диаметром более 1,2 млрд световых лет не имела бы достаточно времени для собственного формирования за 13,8 млрд лет существования Вселенной, если распространение материи происходит однородно и изотропно. Таким образом, гигантская суперструктура Великая стена Геркулес — Северная Корона диаметром более 10 млрд световых лет определённо бросает вызов космологическому принципу. «Некоторые теоретические космологические модели могут объяснить такие крупные структуры, а другие — нет», — сказал Хаккила, добавив, что учёные пока не пришли к единому мнению, что всё это значит.

Гамма-излучения являются полезным измерительным инструментом в космологии, но есть ряд ограничений. Главное из них заключается в том, что необходимо зафиксировать огромное количество гамма-всплесков, чтобы сделать статистически значимые выводы об их распределении. Кроме того, чтобы получить точные данные о структуре Вселенной, необходимо исключить искажения, связанные с неправильным определением положения очагов гамма-излучения в пространстве. Это означает, что может пройти немало времени, прежде чем учёные получат более полную картину размеров Великой стены Геркулес — Северная Корона. «Чтобы собрать такую большую выборку, потребуются годы наблюдений — в основном с помощью данных Fermi и Swift, которые уже сыграли важную роль в создании этого беспрецедентного набора данных. На сбор такого объёма информации ушло более 20 лет наблюдений, и мы не ожидаем значительного пополнения в ближайшем будущем», — отметил Хаккила.

Чем больше учёные изучают данные гамма-всплеска GRB 221009A, который называют буквально «ярчайшим за всё время» или BOAT, тем интереснее становятся их выводы. Новая работа итальянских астрономов, опубликованная в продолжение доклада марта прошлого года, связывает это событие с теорией струн и возможным объяснением тёмной материи частицами-аксионами или подобными им. Если эта гипотеза подтвердится, это станет прорывом в космологии и новой физикой.

Джет в представлении художника. Источник изображения: NASA Goddard Space Flight Center

Вспышка GRB 221009A, напомним, зафиксирована в октябре 2022 года. Она ослепила все гамма-телескопы за исключением одного китайского, который в это время находился на техобслуживании и отключил почти все датчики. Более выгодное положение заняли наземные телескопы высокоэнергетических частиц, отслеживавшие вторичный поток частиц в атмосфере Земли, вызванный первичным потоком. Одним из таких телескопов был китайский LHAASO (Большая высотная обсерватория воздушных потоков). Именно анализ данных LHAASO привёл итальянских учёных к возможному открытию.

Группа исследователей под руководством профессора Джорджио Галанти (Giorgio Galanti) из Национального института астрофизики Италии (INAF) обнаружила несоответствия в данных наблюдений. Обсерватория зафиксировала энергию фотонов гамма-излучения до 18 ТэВ (тераэлектронвольт). По мнению исследователей, такую энергию невозможно объяснить в рамках современной физики.

Согласно современным космологическим моделям, высокоэнергичные фотоны от источника GRB 221009A, находящегося на удалении 2,4 млрд световых лет от Земли, должны были взаимодействовать с фотонами диффузного внегалактического фонового излучения. Это взаимодействие должно было снизить их энергию до 10 ТэВ и ниже. Однако данные наблюдений говорят об обратном, что вынудило учёных рассмотреть альтернативные модели для объяснения явления.

В частности, высокая энергия фотонов, зарегистрированных обсерваторией, указывает на большую прозрачность Вселенной как внутри галактик, так и между ними. Это возможно в рамках теории струн при взаимодействии фотонов с аксионоподобными частицами (ALPs, axion-like particles), что исследователи обосновали в своей работе, опубликованной на сайте arXiv 30 декабря 2024 года.

Аксионы или подобные им частицы рассматриваются как кандидаты на роль тёмной материи — неуловимой субстанции, взаимодействующей с обычной материей исключительно через гравитационное взаимодействие, которое крайне слабо. Согласно расчётам, около 85 % всей материи во Вселенной представлено тёмной материей, существование которой пока удаётся определить лишь косвенно. Регистрация фотонов с экстремально высокой энергией также может служить косвенным подтверждением существования аксионов или их разновидностей семейства ALPs. Однако это требует независимого изучения и дальнейших исследований другими научными группами.

За более чем 7 лет работы наземной обсерватории HAWC для слежения за космическими лучами учёные обнаружили 98 мощнейших гамма-лучей за всю историю наблюдения за нашей галактикой. Частицы предположительно пришли от одного источника, происхождение которого остаётся неизвестным. В месте ожидаемого рождения частиц с рекордно высокой энергией нет видимых источников, способных придать частицам зарегистрированное ускорение.

Центр Млечного Пути в инфракрасном и радиодиапазоне. Источник изображения: Judy Schmidt/Flickr, CC BY 2.0

В 2015 году в Мексике вступил в строй весь массив детекторов обсерватории HAWC (High Altitude Water Cherenkov experiment или, по-русски, Высокогорный эксперимент по поиску эффекта Черенкова). Это массив из трёх сотен чанов с почти двумя сотнями тонн воды с высочайшей степенью очистки. Почти сто лет назад — в 1934 году — советские физики Павел Черенков и Сергей Вавилов открыли эффект слабого свечения в жидкости при взаимодействии с гамма-излучением. Гамма-лучи выбивали электроны и разгоняли их до скоростей, превышающих скорость света в воде, что вызывало свечение.

Детекторы HAWC используют этот принцип для регистрации космических лучей на Земле. Сами гамма-частицы не долетают до поверхности планеты. Детекторы регистрируют продукты их распада (взаимодействия) с частицами атмосферы. По следам разлёта можно вычислить энергию исходных гамма-частиц и примерную область неба, откуда они прилетели.

Часто высокоэнергетические частицы связывают с понятием природного ускорителя — певатрона. Это сочетание понятий петаэлектронвольт и ускорение. Это тот уровень энергий, выше которого регистрируемые частицы могут иметь внегалактическое происхождение (они способны преодолевать галактические магнитные поля и покидать галактику). В то же время в нашей галактике есть источники частиц с энергией, близкой к ПэВ, а значит, и наши родные певатроны. Например, таковым считается Крабовидная туманность — останки взорвавшейся тысячу лет назад сверхновой.

В общем случае певатроном — сверхускорителем частиц — могут быть нейтронные звёзды, чёрные дыры, вспышки сверхновых и другие объекты и явления с мощными магнитными полями. Сложность их обнаружения заключается в том, что магнитные поля искривляют траектории частиц. Но это также служит источником данных о мощных физических явлениях во Вселенной, чего невозможно достичь в лабораторных условиях на Земле.

Неизвестный источник мощнейших гамма-лучей в центре нашей галактики получил название HAWC J1746-2856. Все 98 случаев регистрации его излучений превысили энергию 100 ТэВ. «Эти результаты позволяют заглянуть в центр Млечного Пути с энергией на порядок выше, чем когда-либо наблюдалось ранее», — поясняют физики.

Сегодня в 15:00 по местному времени (в 10:00 мск) с космодрома Сичан на западе Китая стартовала ракета «Чанчжэн-2C». Она вывела на низкую околоземную орбиту уникальную космическую обсерваторию SVOM (Variable Objects Monitor) — мультиспектральный космический монитор переменных объектов. Аппарат массой 930 кг 20 лет создавался в содружестве Китая и Франции. Он станет самым современным инструментом для слежения за гамма-всплесками во Вселенной.

Художественное представление гамма-обсерватории SVOM. Источник изображения: Коллаборация SVOM

Обсерватория SVOM начала разрабатываться около 20 лет назад. Два прибора на её борту французского производства, два — китайского. Телескоп и датчики обнаружения гамма- и рентгеновского излучения разработаны и произведены во Франции. Оптический 450-мм телескоп, шасси и вспомогательное оборудование китайские.

Гамма-всплески во Вселенной порождают самые энергетически сильные явления, такие как слияния чёрных дыр или взрывы сверхновых. Достаточно часто невозможно определить, что именно и в какой точке пространства привело к выбросу гамма-лучей. В то же время точная привязка выброса энергии в гамма-диапазоне и определение спектра, а также энергии события даёт массу информации об объекте. Поэтому обсерватория оснащена телескопом, работающим в видимом диапазоне, — он будет искать следы послесвечения события. Также космическая обсерватория будет синхронизирована с рядом наземных телескопов (оптических и радио), чтобы гарантировать более быструю и надёжную привязку к наблюдаемым явлениям.

Обсерватория SVOM будет находиться на высоте 625 км над уровнем земли. Она дополнит и заменит космическую обсерваторию «Свифт», запущенную в космос 20 лет назад. С помощью данных SVOM гамма-всплески перестанут скрывать свои тайны и перейдут в разряд широко и глубоко изучаемых явлений.

В процессе анализа данных от космического гамма-телескопа Fermi за последние 13 лет астрономы NASA обнаружили неожиданный сигнал, исходящий из-за пределов нашей галактики, происхождение которого они не могут объяснить. Фрэнсис Редди (Francis Reddy) из Центра космических полётов NASA назвал это явление «неожиданной и пока необъяснимой особенностью за пределами нашей галактики».

Источник изображения: Britannica

Телескоп Fermi ведёт наблюдение в диапазоне гамма-волн, возникающих при мощнейших выбросах энергии, например, при взрыве сверхновых. Учёные изучали данные, полученные телескопом, с целью получить больше данных о так называемом реликтовом излучении, также известном как космическое микроволновое фоновое излучение. Обычно реликтовое излучение имеет дипольную структуру, одна сторона которой горячее другой. Астрономы полагают, что это происходит из-за движения солнечной системы.

Вселенная в гамма-спектре. Источник изображения: NASA

Вместо ожидаемой структуры реликтового излучения исследователи обнаружили сигнал, содержащий одни из самых энергетически мощных космических частиц, которые они когда-либо обнаруживали. «Это совершенно случайное открытие, — говорит Александр Кашлинский (Alexander Kashlinsky), космолог из Университета Мэриленда и Центра космических полётов NASA. — Мы обнаружили гораздо более сильный сигнал и в другой части неба, чем та, которую мы искали».

На этой неделе статья с описанием результатов была опубликована в The Astrophysical Journal Letters. «Мы нашли диполь гамма-излучения, но его пик расположен на южном небе, вдали от реликтового излучения, а его величина в 10 раз превышает ту, которую мы ожидали», — заявил астрофизик NASA Крис Шрейдер (Chris Shrader).

Концептуальная иллюстрация явления. Источник изображения: NASA

Учёные полагают, что наблюдаемое явление связано с ранее зафиксированным обсерваторией Pierre Auger в Аргентине в 2017 году подобным космическим гамма-излучением. Астрономы считают, что эти два явления могут иметь общее происхождение, учитывая их схожую структуру. Они надеются в дальнейшем найти загадочный источник или разработать альтернативные объяснения обеих особенностей.

Неожиданное открытие NASA может помочь астрономам подтвердить или опровергнуть идеи о том, как создаётся дипольная структура реликтового излучения. «Несоответствие размеров и направления диполя реликтового излучения может дать нам возможность заглянуть в физические процессы, происходящие в очень ранней Вселенной, возможно, в те времена, когда её возраст составлял менее триллионной секунды», — убеждён один из авторов исследования Фернандо Атрио-Барандела (Fernando Atrio-Barandela).

Солнце продолжает удивлять учёных. Недавно международная команда исследователей обнаружила самый мощный свет, когда-либо зарегистрированный от Солнца. Этот свет, известный как гамма-лучи (gamma rays), оказался удивительно ярким, гораздо ярче, чем ожидалось.

Источник изображений: HAWC Observatory

Учёные обнаружили самый мощный свет, исходящий от Солнца, в гамма-лучах с энергией до 10 тераэлектронвольт (TeV). Исследование, проведённое с помощью Высотной водной Черенковской обсерватории (HAWC) в Мексике, ставит новые вопросы о том, как гамма-лучи достигают таких высоких энергий и какую роль играют магнитные поля Солнца в этом явлении. «Солнце оказывается более удивительным, чем мы думали. Мы думали, что разобрались с этой звездой, но это не так», — сообщила Мехр Ун Ниса (Mehr Un Nisa), научная сотрудница Мичиганского государственного университета (MSU).

Обсерватория HAWC в Мексике сыграла ключевую роль в этом открытии. HAWC отличается от обычных телескопов, потому что вместо трубы со стеклянными линзами она использует сеть из 300 больших водяных баков, каждый из которых заполнен около 200 метрическими тоннами воды. Сеть расположена на высоте 4 100 метров над уровнем моря между двумя погасшими вулканами. Эта уникальная конструкция позволяет «видеть» последствия столкновения гамма-лучей с воздухом в атмосфере Земли, создавая так называемые воздушные души.

На изображении показана обсерватория HAWC, наблюдающая за частицами, траектории которых изображены голубыми линиями, порождёнными высокоэнергетическим гамма-излучением с Солнца.

Данные с HAWC учёные начали получать в 2015 году, и к 2021 году команда накопила достаточно информации для изучения солнечных гамма-лучей. Хотя высокоэнергетическое излучение не достигает поверхности Земли, эти гамма-лучи создают характерные сигнатуры, которые были обнаружены Нисой и её коллегами. Они выяснили, что энергия гамма-лучей достигает почти 10 тераэлектронвольт, что является максимумом.

Так выглядит избыток солнечного гамма-излучения с обсерватории HAWC. Тепловая карта показывает яркое жёлтое пятно в центре, окружённое более «холодными» оранжевыми и фиолетовыми пятнами.

В 1990-х годах учёные предсказали, что Солнце может производить гамма-лучи, но на тот момент не было инструментов для их обнаружения. Первое наблюдение гамма-лучей с энергией более миллиарда электронвольт было сделано космическим гамма-телескопом «Ферми» (Fermi Gamma-ray Space Telescope) в 2011 году.

Теперь учёные будут разбираться, как именно гамма-лучи достигают таких высоких энергий, и какую роль играют магнитные поля Солнца в этом явлении. Это открытие может стать отправной точкой для дальнейших исследований и возможно, пересмотра нашего понимания Солнца и его роли во Вселенной.