Китайские астрономы получили новые свидетельства того, что остатки сверхновых действительно могут быть одним из главных источников галактических космических лучей. Для этого они изучили гамма-излучение, исходящее от остатка сверхновой IC 443, известного как туманность Медуза.

Космические лучи, наблюдаемые на Земле, представляют собой потоки высокоэнергетических частиц, постоянно бомбардирующих нашу планету. Их энергия может различаться в огромных пределах - от 10⁷ электронвольт (эВ) до более чем 10²⁰ эВ, что примерно соответствует кинетической энергии футбольного мяча массой 450 граммов, летящего со скоростью около 8 метров в секунду. Однако определить источник этих частиц крайне сложно. Многие космические лучи имеют электрический заряд, поэтому их траектории искажаются магнитными полями Галактики. В результате к моменту прибытия на Землю они уже не указывают на место своего происхождения.

Одними из главных кандидатов на роль природных ускорителей космических лучей давно считаются остатки сверхновых. Когда массивная звезда взрывается, её внешние оболочки выбрасываются в окружающее пространство со скоростями, достигающими нескольких процентов скорости света. Ударные волны, возникающие при этом, а также связанные с ними магнитные поля способны разгонять частицы до колоссальных энергий.

Для проверки этой гипотезы участники коллаборации LHAASO использовали одноимённую высокогорную обсерваторию в Китае. Учёные наблюдали остаток сверхновой IC 443, расположенный примерно в 5000 световых годах от Земли в созвездии Близнецов. Считается, что породившая его звезда взорвалась около 30 тысяч лет назад. Сегодня остаток сверхновой всё ещё расширяется и взаимодействует с окружающим молекулярным облаком.

Исследователей интересовало происхождение высокоэнергетических гамма-квантов, приходящих из этой области. Существуют два основных сценария их возникновения. В первом случае ударные волны сверхновой разгоняют электроны почти до скорости света. Затем эти частицы сталкиваются с фотонами окружающего излучения и передают им часть своей энергии, превращая их в гамма-кванты.

Во втором сценарии ударные волны ускоряют протоны. Сталкиваясь с веществом плотного молекулярного облака, они порождают так называемые нейтральные пионы. Это нестабильные частицы, которые практически мгновенно распадаются на гамма-кванты.

Измеренный спектр гамма-излучения позволил отличить эти механизмы друг от друга. Учёные обнаружили характерную особенность спектра, которая хорошо соответствует именно сценарию распада нейтральных пионов. Это означает, что в окрестностях IC 443 действительно происходит ускорение протонов и их взаимодействие с окружающим веществом.

Полученные данные также показали, что ударные волны остатка сверхновой способны разгонять протоны как минимум до энергий порядка нескольких сотен тераэлектронвольт. При этом признаков резкого энергетического предела обнаружено не было.

Авторы работы подчёркивают, что результаты усиливают аргументы в пользу гипотезы, согласно которой остатки сверхновых являются одним из источников галактических космических лучей. Хотя происхождение самых энергичных космических частиц по-прежнему остаётся открытым вопросом, новые наблюдения показывают, что по крайней мере часть галактических космических лучей действительно рождается в ударных волнах звёздных взрывов.

Сверхмассивные чёрные дыры располагаются в центре большинства крупных галактик. Их иногда называют космическими монстрами, потому что в активном состоянии они поглощают окружающий газ и пыль, при этом излучая огромное количество энергии. Однако новое исследование предполагает, что в некоторых случаях они могут быть не только разрушителями, но и местами рождения огромного количества планет.

Современные представления связывают образование планет с газопылевыми дисками вокруг молодых звёзд. Именно в таких дисках частицы пыли постепенно слипаются, образуя всё более крупные тела, которые со временем могут превратиться в полноценные планеты.

Похожие структуры существуют и вокруг сверхмассивных чёрных дыр в активных галактиках. Такие объекты окружены огромными дисками газа и пыли. Причём внешние области этих дисков обладают температурами и физическими условиями, напоминающими условия в протопланетных дисках молодых звёзд.

Чтобы проверить возможность формирования планет в подобных средах, группа исследователей смоделировала условия на окраинах дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр. Учёные учли данные о температуре, составе вещества и магнитных полях во внешних областях дисков и рассчитали основные параметры процесса образования планет.

Моделирование показало, что частицы пыли в таких условиях действительно могут объединяться в более крупные структуры, запускающие процесс формирования планет. Согласно расчётам, диски вокруг сверхмассивных чёрных дыр могут породить десятки миллионов протопланет, массами от земной, до нескольких масс Юпитера.

Авторы работы также пришли к выводу, что рост таких планет может происходить значительно быстрее, чем в обычных планетных системах. Высокая плотность вещества и сильное гравитационное поле в окрестностях активных галактических ядер позволяют молодым объектам быстро накапливать массу. В результате некоторые из них способны вырасти до размеров, намного превышающих размеры Юпитера. Согласно их расчётам, часть подобных объектов может продолжать накапливать вещество настолько эффективно, что в конечном итоге достигнет звёздных масс и превратится в полноценные звёзды.

Исследование также допускает существование необычных массивных объектов, состоящих преимущественно из пыли. Подобные тела не имеют известных аналогов в планетных системах обычных звёзд. Пока все выводы основаны исключительно на теоретическом моделировании. Для проверки предложенной гипотезы потребуются наблюдения, которые смогут подтвердить существование подобных объектов в окрестностях сверхмассивных чёрных дыр.

Астрономы впервые получили убедительные доказательства существования ветра, исходящего от сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути. Поиски этого явления продолжались более полувека.

Масса чёрной дыры Стрелец A* (Sgr A*) составляет около четырёх миллионов масс Солнца. По современным представлениям, любая активно поглощающая вещество сверхмассивная чёрная дыра должна выбрасывать некоторую его часть обратно в окружающее пространство в виде джетов или ветра. Более того, существуют свидетельства прошлых вспышек активности Стрельца A*. Тем не менее признаки существующего сейчас оттока вещества долгое время не удавалось обнаружить.

Основная проблема связана с тем, что наблюдения центра Галактики сильно затруднены. Земля находится внутри диска Млечного Пути, поэтому астрономам приходится смотреть на область вокруг чёрной дыры сквозь огромное количество газа, пыли и ионизованного вещества.

Для решения этой задачи исследователи использовали данные радиоинтерферометра ALMA . Учёные проанализировали пять лет наблюдений и создали наиболее детальную на сегодняшний день карту холодного молекулярного газа в непосредственной окрестности Стрельца A*. Причём исследуемая область располагалась всего в трёх световых годах от чёрной дыры. Изображение с ALMA получилось в 80 раз более чётким, чем предыдущие карты региона. Благодаря такому уровню детализации учёные заметили структуры, которые были невидимы в более ранних наблюдениях.

После специальной обработки данных, позволившей убрать яркое радиоизлучение самого Стрельца A*, астрономы обнаружили ранее невидимую структуру. Это была крупная коническая полость с углом порядка 45 градусов и длиной около одного парсека. Внутри неё практически отсутствует холодный молекулярный газ.

По мнению авторов работы, наиболее вероятное объяснение этой структуры связано именно с ветром, исходящим от чёрной дыры. Поток горячего вещества либо выталкивает холодный газ из этой области, либо нагревает его настолько, что он перестаёт наблюдаться в данном диапазоне длин волн.

Исследователи также оценили количество энергии, необходимое для формирования такой конической полости. Расчёты показали, что ближайшие звёзды не способны обеспечить столь мощное воздействие. Более того, ось обнаруженного конуса указывает непосредственно на Стрелец A*.

Дополнительным аргументом стали данные рентгеновской обсерватории Чандра. Ранее она обнаружила в этой же области яркое рентгеновское излучение. Область рентгеновского излучения совпала с найденной полостью, что хорошо согласуется со сценарием горячего ветра.

По словам авторов работы, открытие подтверждает, что центральная чёрная дыра Млечного Пути ведёт себя так же, как сверхмассивные чёрные дыры в других галактиках. Хотя сегодня Стрелец A* находится в относительно спокойном состоянии, он всё ещё продолжает взаимодействовать с окружающей средой и заметно влияет на структуру газа в центральных областях Галактики.

Астрономы обнаружили возможную проблему в одной из самых популярных моделей ранней эволюции Солнечной системы. Компьютерное моделирование показало, что предполагаемые миграции планет-гигантов должны были серьёзно нарушить систему спутников Урана. Однако современные луны планеты не несут явных следов столь масштабной катастрофы. Это может означать, что современная версия модели Ниццы нуждается в доработке.

Сегодня Солнечная система выглядит относительно стабильной. Планеты движутся по устойчивым орбитам, а их положение можно рассчитывать на многие годы вперёд. Однако большинство современных моделей предполагает, что в далёком прошлом всё было гораздо более хаотично.

Одна из самых известных теорий ранней эволюции Солнечной системы — это так называемая модель Ниццы (Nice model), предложенная в 2005 году. Согласно ей, гигантские планеты изначально находились не на своих современных орбитах и со временем мигрировали под действием гравитационного взаимодействия с окружающим веществом.

В современных версиях этой модели предполагается, что когда-то в Солнечной системе могло существовать не четыре, а пять или даже шесть планет-гигантов. Помимо современных Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, в ней могли присутствовать ещё один или два ледяных гиганта. В ходе последующей динамической нестабильности эти дополнительные планеты были выброшены из Солнечной системы, тогда как остальные заняли свои нынешние орбиты.

Модель Ниццы хорошо объясняет ряд особенностей современной Солнечной системы. В частности, она согласуется со сценарием поздней тяжёлой бомбардировки, помогает объяснить современную архитектуру внешней части Солнечной системы и происхождение троянских астероидов Юпитера.

Однако новое исследование учёных из Университета Джонса Хопкинса выявило возможную проблему этой модели. Они решили проверить, как предполагаемая эпоха нестабильности могла повлиять не только на сами планеты, но и на их спутники. Для этого исследователи провели серию компьютерных расчётов для двух вариантов модели Ниццы: с одним дополнительным ледяным гигантом и с двумя. Они рассмотрели широкий набор возможных начальных условий и проследили последствия многочисленных сближений между планетами-гигантами. Особое внимание уделялось спутниковым системам Юпитера и Урана.

Результаты оказались неожиданными. В большинстве сценариев спутники Урана переживали серьёзные возмущения. Их орбиты становились нестабильными, что нередко приводило к столкновениям между спутниками, выбросу некоторых объектов из системы или значительной перестройке орбит. Спутники Юпитера оказались заметно устойчивее. Тем не менее сохранить одновременно современные спутниковые системы Юпитера и Урана оказалось крайне трудно.

По мнению исследователей, это может означать несколько вещей. Во-первых, спутники Урана действительно могли пережить эпоху столкновений и впоследствии сформироваться заново из обломков. Во-вторых, существующая версия модели Ниццы может нуждаться в серьёзной доработке. Наконец, возможно, Солнечная система прошла через крайне редкий вариант эволюции, при котором глубоких сближений Урана с другими гигантскими планетами почти не происходило.

Авторы отмечают, что реконструировать события четырёхмиллиардной давности чрезвычайно сложно. Вероятно, ни одна из существующих моделей пока не воспроизводит в точности всю историю формирования современной Солнечной системы.

Тем не менее работа показывает, что спутники планет могут служить важным источником информации о древнейших этапах её эволюции. История формирования современного облика Солнечной системы, по-видимому, всё ещё далека от окончательного понимания.

Астрономы разработали подробную модель того, что может происходить со звёздами, если они поглощают гипотетические первичные чёрные дыры. Оказалось, что последствия для звезды могут быть очень серьёзными, вплоть до полного уничтожения.

Согласно современным представлениям, первичные чёрные дыры могли образоваться в первые мгновения после Большого взрыва. Теоретические оценки допускают существование таких объектов самых разных масс, в том числе относительно небольших - порядка крупного астероида или нашей Луны. Исследователи из Массачусетского технологического института решили выяснить, что произойдёт, если такая чёрная дыра окажется внутри звезды. Для этого они создали модель, объединяющую расчёты звёздной эволюции и трёхмерное магнитогидродинамическое моделирование.

На самом деле прямой захват первичной чёрной дыры звездой маловероятен. Гораздо более эффективным механизмом может быть взаимодействие в системе, где у звезды имеется планета или другой спутник. В этом случае гравитационные возмущения способны перевести первичную чёрную дыру на орбиту, пересекающую звезду. После многочисленных прохождений сквозь звёздное вещество объект постепенно теряет энергию и в конечном итоге опускается к центру звезды.

Оказавшись в звёздном ядре, чёрная дыра начинает поглощать окружающее вещество. Согласно результатам моделирования, дальнейшая судьба звезды определяется тем, насколько быстро идёт этот процесс. Авторы работы выделяют два основных сценария.

В первом случае вокруг чёрной дыры прямо внутри звезды формируется аккреционный диск. Его существование приводит к появлению релятивистских джетов и мощных ветров аккреционного диска. Такое воздействие быстро разрушает звезду. Согласно расчётам, процесс может занять всего несколько минут. В результате возникает яркая вспышка, сопровождаемая рентгеновским излучением, коротким ультрафиолетовым и оптическим послесвечением, связанным с быстрым охлаждением выброшенного вещества, а в некоторых случаях даже гамма-всплеском продолжительностью около одной минуты.

Авторы подчёркивают, что подобные события могут напоминать сверхновые, однако отличаются от них происхождением, временными масштабами и характером послесвечения. Например, в отличие от сверхновых, вызванных коллапсом массивных звёзд, здесь не должно наблюдаться характерного свечения, связанного с радиоактивным распадом нестабильных ядер.

Во втором сценарии аккреция оказывается менее интенсивной. Тогда система может длительное время существовать в квазистационарном состоянии. В этом случае первичная чёрная дыра постепенно поглощает вещество звезды, изменяя её светимость, внутреннее строение и продолжительность жизни. В конечном итоге звезда всё равно исчезает, оставляя после себя компактный объект с массой порядка массы поглощённой звезды.

По мнению авторов, оба сценария могут иметь наблюдательные последствия. Взрывной вариант способен проявляться в электромагнитном диапазоне, тогда как тихий сценарий потенциально может приводить к появлению необычных источников гравитационных волн в будущем.

Особый интерес представляют остатки таких систем. Авторы отмечают, что обнаружение чёрных дыр необычно малой массы или объектов с аномально быстрым вращением могло бы стать косвенным свидетельством существования первичных чёрных дыр.

Пока работа носит исключительно теоретический характер. Исследователи подчёркивают, что многие этапы предложенного сценария требуют более детального изучения. Тем не менее их модель впервые описывает полный жизненный цикл звезды, захватившей первичную чёрную дыру, и предлагает возможные наблюдательные признаки таких экзотических объектов.