Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Хуперу хотелось бы думать, что это сигнал от темной материи, но он не был в этом уверен, поэтому рассмотрел также и альтернативную причину избытка позитронов, источником которых могли быть пульсары. Согласно этому сценарию, мощные магнитные поля нейтронных звезд, вращающиеся вместе с ними, создают электрические поля, которые “вытаскивают” электроны с поверхности пульсаров и ускоряют их. Когда эти электроны с высокими энергиями попадают в магнитные поля, они испускают высокоэнергетические гамма-кванты, точно так же как и в сценарии с темной материей. А когда они покидают магнитное поле пульсара и начинают распространяться по пространству, часть их может спонтанно превратиться в электрон-позитронные пары.
Не меньше Хупера этой проблемой были заинтригованы и многие другие физики. В течение десяти лет после того, как данные PAMELA опубликовали, вышло более тысячи статей, в которых авторы пытались объяснить эту загадку. Большинство авторов придерживалось гипотезы пульсарного происхождения гамма-излучения, но, чтобы доказать ее, нужно убедиться, что эти гамма-лучи излучаются пульсарами, а затем определить, сколько электронов и позитронов потребовалось бы, чтобы произвести такое количество высокоэнергетических гамма-квантов, и можно ли ими объяснить наблюдаемый излишек.
В 2017 году Хупер и несколько его коллег придумали, как решить эту задачу. Они вспомнили еще об одном детекторе, преемнике Milagro, – обсерватории HAWC (High Altitude Water Cherenkov Experiment, “высотная водная обсерватория имени Черенкова”), расположенной возле Пуэблы, Мексика, строительство которой было завершено в 2015 году. В обсерватории HAWC наблюдали два соседних пульсара – Гемингу и Monogem ring (некоторые называют его просто Monogem), расположенные на расстоянии менее чем тысяча световых лет от Земли. Их относительная близость к нам важна, потому что электроны с энергиями порядка ТэВ не могут переместиться очень далеко от источника, поскольку быстро теряют большую часть своей энергии в магнитных полях нашей Галактики, а также из-за рассеяния света звезд.
HAWC обнаружил обширное гало вокруг этих двух пульсаров, излучающее гамма-лучи высокой – тераэлек-тронвольтной – энергии. Эти гамма-лучи могли образоваться, когда электроны и позитроны высокой энергии, вылетающие из пульсаров, взаимодействовали с фотонами низкой энергии, испускаемыми близлежащими звездами. При столкновениях электроны могли передать фотонам много энергии (подобно тому как клюшка для гольфа передает энергию мячу, отправляя его на другую сторону поля). Ученые проанализировали данные HAWC и рассчитали светимость обоих источников. Они сравнили яркость двух пульсаров с яркостью их гало и определили, какая часть энергии пульсара преобразуется в электроны и позитроны. Оказалось, что эта часть составляет примерно 10 %– и этого, по словам Хупера, практически достаточно, чтобы объяснить наблюдаемый избыток позитронов. Он сказал, что это стало завершающим доказательством.
В нашей Галактике было обнаружено около трех тысяч радиопульсаров, но большинство из них либо слишком тусклые, либо слишком далекие, и поэтому HAWC не может воспринимать их как отдельные источники. Но если предположить, что все пульсары обладают одинаковой эффективностью преобразования своей кинетической энергии в электроны и позитроны, то, сложив вклад всех пульсаров Млечного Пути, мы увидим, что они приводят к сигналу гамма-излучения с энергией порядка тераэлектронвольт и почти точно такой же интенсивностью и энергетическим спектром, как и наблюдаемый с помощью детекторов избыток тераэлектронвольтного гамма-излучения. Сейчас почти все согласны с тем, что избыток позитронов, скорее всего, связан с пульсарами. Альтернативная теория его происхождения из темной материи, конкурирующая с пульсарной, была похоронена, пульсары выиграли эту схватку5.
Хупер был разочарован, но не подавлен. Изучая странные сигналы от галактической плоскости, он искал темную материю везде, возлагая большую часть своих надежд на сердце нашей Галактики – галактический центр.
 
Некоторое время назад – в 2003 году – молодой постдок из Принстона Дуг Финкбайнер просматривал данные с космического спутника WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, “зонд микроволновой анизотропии имени Уилкинсона”). Как и Хупер, он был захвачен идеей поиска темной материи и надеялся наткнуться на ее следы в данных WMAP. Он прекрасно знал, что вимпы, если они существуют, должны время от времени аннигилировать и что процесс аннигиляции должен сопровождаться всплесками гамма-излучения, микроволнового излучения и каскадами других частиц высоких энергий. Вблизи центра Галактики он обнаружил странный избыток микроволнового излучения, явно отличного от реликтового космического микроволнового фонового излучения, поскольку, казалось, шло оно откуда-то изнутри нашей Галактики, то есть скорее от “авансцены”, а не от “арьерсцены”, как реликтовое. Статья Финкбайнера о необычной микроволновой “дымке WMAP” и особенно предположение, что виновниками ее появления могли быть вимпы, привлекли внимание Хупера.
Картина стала еще запутаннее в 2008 году, когда космический гамма-телескоп Fermi, запущенный в космос НАСА, передал первую партию данных. Финкбайнер, ныне профессор, и два его аспиранта, Трейси Слейтер и Мэн Су, обнаружили, что “микроволновая дымка” идеально гармонировала с “дымкой гамма-излучения” вокруг центра Млечного Пути. Но откуда эта дымка взялась, представлялось большой загадкой. В отличие от радиотелескопов, которые нацелены на конкретную область неба и регистрируют сигнал от точечного источника, такого как звезда или пульсар, у космического телескопа Fermi гораздо более широкое поле зрения. Он видит примерно пятую часть всего неба в каждый момент времени и, постепенно продвигаясь, осматривает все небо за три часа. Тем не менее получаемая им картинка нечеткая – телескоп имеет угловое разрешение всего лишь о,1–1 градус для большей части значений энергии, поэтому он размазывает звезды до размера Луны, а то и больше. Таким образом, несмотря на то что Fermi мог определить направление, с которого прилетели фотоны, он не мог определить, где именно возникает дымка, позже названная “дымкой Ферми”. Все ученые были уверены в том, что это происходило в окрестности галактического центра.
Вскоре после этого, в 2009 году, Слейтер, Су и Финкбайнер заметили, что дымка имеет некий контур. Это открытие было удивительным и неожиданным. Вместо того чтобы увидеть одну каплю с нечеткими краями, они внезапно увидели два гигантских фантастических пузыря, по форме напоминающих песочные часы, общим размером около пятидесяти тысяч световых лет, с центром в галактическом центре и ярче всего светящихся в гамма-диапазоне. “Дымка Ферми” превратилась в “пузыри Ферми”, и газеты разных стран мира поместили на своих первых полосах потрясающее изображение огромной космической восьмерки. В 2014 году Слейтер, Су и Финкбайнер за свое открытие получили премию Бруно Росси, присуждаемую отделением астрофизики высоких энергий Американского астрономического общества6.
Для Хупера пузыри были явным, хотя и разочаровавшим его, свидетельством того, что ни микроволновое излучение, зарегистрированное детектором WMAP, ни гамма-лучи, обнаруженные телескопом Fermi, не могли быть признаками темной материи. “Аннигиляция темной материи не должна приводить к образованию таких пузырей”, – говорит он. Область свечения должна быть размытой и не должна иметь отчетливых границ.
До сих пор неясно, что надуло пузыри Ферми, и некоторые ученые полагают, что они могли возникнуть из-за того, что наша сверхмассивная черная дыра когда-то давно взорвалась (хотя сейчас Стрелец А* и ведет себя совершенно спокойно, в отличие от активных ядер других галактик, от которых регистрируется излучение). Альтернативная гипотеза состоит в том, что пузыри могли возникнуть, если многочисленные гигантские звезды, образованные из газа, окружающего черную дыру, почти одновременно взорвались как сверхновые.