Астрономы: Загадочные гамма-лучи могут исходить из «спящих» черных дыр

Самый энергичный свет и частицы во Вселенной представляют собой непреходящую загадку: мы не знаем, откуда они берутся.

Конечно, мы можем отследить некоторые; но через Вселенную течет больше гамма-излучения и нейтрино, чем мы можем учесть. Намного больше. И астрономы только что нашли объяснение некоторым из них: почти бездействующие черные дыры.

По их словам, это может объяснить избыток «мягких» гамма-лучей во Вселенной, не полагаясь на холодные (нетепловые) электроны — что всегда было проблематичным объяснением, потому что электроны термализовались в масштабах времени, которое считались слишком короткими для генерации высоких частиц энергий.

Гамма-лучи и нейтрино не совсем редкость. Гамма-излучение — самая энергичная форма света во Вселенной, и оно было обнаружено при чрезвычайно высоких энергиях — тераэлектронвольтном диапазоне.

Нейтрино, или частицы-призраки, представляют собой почти безмассовые частицы, текущие через Вселенную, практически ни с чем не взаимодействующие. Их тоже обнаружили при высоких энергиях.

Чтобы получить эти энергии, фотоны и частицы внутри них требуют наличия космического ускорителя. Это должны быть объекты, такие как остатки сверхновой звезды или черная дыра, активно пожирающая материю.

Но даже после того, как астрономы учли эти высокоэнергетические источники, все еще остается избыток гамма-излучения в более низких «мягких» энергиях, а также избыток нейтрино, который трудно объяснить.

По мнению группы исследователей под руководством астронома Шигео Кимура из Университета Тохоку в Японии, избыток может происходить из неожиданного источника: сверхмассивных черных дыр, которые почти, но не полностью, находятся в спящем состоянии.

Когда сверхмассивная черная дыра активна, ее окружает огромный диск из пыли и газа, который медленно всасывается в черную дыру. Огромные силы, действующие в пространстве вокруг черной дыры, нагревают материал в диске так, что он светится в диапазоне электромагнитных волн, включая гамма-излучение.

Кроме того, некоторое количество материала всасывается с внешней стороны черной дыры вдоль силовых линий ее магнитного поля, которые действуют как ускоритель, к полюсам, откуда он запускается в космос со скоростью, составляющей значительный процент от скорости света.

Считается, что в центре каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра, но не все из них активны. Например, сверхмассивная черная дыра в нашей галактике довольно спокойна.

По словам Кимуры и его команды, избыток гамма-излучения в нижнем диапазоне энергий — мегаэлектронвольты, а не гига- или тераэлектронвольты — может быть произведен сверхмассивными черными дырами, которые аккрецируют на таком низком уровне, что мы этого не замечаем.

Команда провела расчеты и прикинула, как это будет работать. Хотя вокруг неактивных черных дыр циркулирует меньше материала, они все же остаются, и они все равно нагреваются.

Фактически, горячая плазма может нагреваться до миллиардов градусов Цельсия — достаточно горячо, чтобы генерировать гамма-излучение в мегаэлектронвольтном диапазоне, или то, что мы называем «мягкими» гамма-лучами.

В этой плазме протоны могут разгоняться до высоких скоростей. Когда высокоэнергетические протоны взаимодействуют с излучением и материей, они могут генерировать нейтрино, что также объясняет избыток нейтрино. И таких спокойных сверхмассивных черных дыр во Вселенной достаточно, чтобы объяснить хотя бы значительную часть избыточных сигналов.

Исследование опубликовано в Nature Communications.