Спектр и поляризация радиоизлучения однозначно указывают, что это синхротронное излучение релятивистских электронов, движущихся в магнитном поле, которое ориентировано вдоль границы Шпура. Похожими свойствами обладает радиоизлучение остатков вспышек сверхновых. В этих объектах взрыв звезды создаёт ударную волну, которая ускоряет электроны до релятивистских энергий и генерирует магнитное поле. Но размеры Шпура на небе превосходят все известные остатки вспышек сверхновых, и если это действительно остаток сверхновой, согласно гипотезе, то он должен располагаться очень близко — настолько, что его угловой размер в сотни раз превышал бы видимый размер Луны.
Если же, согласно другой гипотезе, Шпур — это результат активности сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики, то для обеспечения той же видимой яркости надо, чтобы и объём горячего газа, и необходимое количество энергии увеличились в миллионы раз. Такое расхождение в оценках расстояния напоминает рассказ «Сфинкс» Эдгара По, когда бабочка на оконном стекле воспринималась как гигантское чудовище, ползущее по холму.
В последние годы многие астрофизики поддерживают вторую гипотезу. Большую роль в этом сыграли открытия так называемых пузырей Ферми в гамма- и пузырей еРОЗИТЫ в рентгеновском диапазонах. Эти структуры прилегают к Северному Полярному Шпуру и окружают центральную область Галактики. В радио- и рентгеновских лучах они заметно менее яркие, чем Шпур. И тем не менее связь Шпура именно с активным энерговыделением в центре Галактики пока остаётся гипотезой.
Астрофизики ИКИ РАН Евгений Чуразов, Ильдар Хабибуллин, Рашид Сюняев с коллегами из Института астрономии РАН, Института прикладной физики РАН и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН предложили новую модель происхождения Северного Полярного Шпура. Исследуя его рентгеновское излучение по данным телескопа СРГ/еРОЗИТА, астрофизики искали ответ на вопрос, почему Шпур настолько ярче других галактических структур на небе? Что ещё есть особенного в Галактике вблизи Шпура? Они обратили внимание, что в диске Галактики в направлении на «основание» Шпура находится несколько областей очень активного звездообразования.
Многочисленные взрывы сверхновых здесь, то есть в сравнительно компактной области, приводят к появлению пузырей горячей плазмы, которые способны подниматься над диском Галактики за счёт плавучести (силы Архимеда), как, например, поднимается горячий дым из трубы паровоза или завода. В этой модели «дым» происходит от одной из многих областей звездообразования в Галактике, но самой мощной. Он имеет температуру в несколько миллионов градусов и обогащён такими элементами, как кислород, неон, железо, синтезированными во время взрывов сверхновых. При столь высоких температурах атомы этих элементов сильно ионизованы и активно излучают в резонансных рентгеновских линиях многозарядных ионов, что и делает Шпур столь ярким в рентгеновском диапазоне.
Эта модель объясняет яркость Шпура и в радиодиапазоне. Всплывающая горячая плазма несёт с собой вмороженное в неё магнитное поле (вытягивая его вдоль направления движения), а также космические лучи, ускоренные в ударных волнах сверхновых звёзд. Синхротронное излучение релятивистских электронов в магнитном поле и делает Шпур столь ярким в радиолучах.
Исследователи отмечают, что распределение яркости Северного Полярного Шпура на двух картах — радио- и рентгеновской — поражает подобием, несмотря на разницу частот в миллиарды раз. При этом энерговыделение в этих двух диапазонах различается заметно меньше.
Если зона звездообразования приподнята над центральной плоскостью холодного газового диска, то «дыму» (в нашем случае — горячему газу, обогащённому тяжёлыми элементами) гораздо легче прорваться и всплыть в том направлении, где окружающий слой холодного газа тоньше. В результате становится понятным, отчего одни области могут быть гораздо ярче, чем другие.
Если так, то почему «столб дыма» не прямой? Это связано с двумя эффектами. Первый — движение газа в гало Галактики, высоко над её плоскостью. Газ также может участвовать во вращении вокруг центральной зоны Галактики, но скорость вращения должна отличаться от скорости звёзд. Благодаря этому может возникнуть явление, похожее на «сдувание дыма».
Второй эффект — движение Солнца относительно областей звездообразования, которые влияют на положение структур на небе. У нашей Галактики (и у многих других) есть интересное свойство: звёзды в её диске движутся по круговым орбитам вокруг центра с почти одинаковыми скоростями — порядка 200 км/с. В результате Солнце совершает один оборот в Галактике за большее время, чем объекты, расположенные ближе к её центру.
Сочетание этих двух эффектов позволяет предсказать положение «дымовых столбов» над диском Галактики. Они действительно оказываются похожими на структуры, наблюдаемые на радио- и рентгеновских картах Галактической плоскости, включая сам Шпур, а также менее яркие детали вблизи разных областей звездообразования.
Характерные времена движений газа заметно больше времени образования и жизни массивных звёзд. Поэтому характерное время жизни образований типа Северного Полярного Шпура достаточно велико — многие десятки миллионов лет, и для нас они будут выглядеть практически неизменными.
Кажется, что новая гипотеза, согласно которой Северный Полярный Шпур находится не так близко, как находилась бы сверхновая, но и не так далеко, как центр Галактики, ещё больше расширяет набор возможных моделей его излучения. Но очень важно, что эту гипотезу можно проверить, наблюдая сравнительно изолированные области активного звездообразования в поисках похожих, но гораздо менее ярких структур в нашей и других галактиках.
Астрофизики надеются, что точку в решении загадки происхождения Полярного Шпура удастся поставить в течение нескольких лет.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Astronomy & Astrophysics».
По информации пресс-службы ИКИ РАН.
Иллюстрации предоставлены пресс-службой ИКИ РАН.
