Астрономы обнаружили неожиданно мощное гамма-излучение от Солнца
Мы так много знаем о Солнцем, но наши знания далеко не полны.
«Солнце оказывается более удивительным, чем мы думали», — говорит Мехр Ун Ниса, научный сотрудник Мичиганского университета. — «Мы-то думали, что разобрались с этой звездой, но это не так».
Международная группа исследователей, работающих с Высотной водной черенковской обсерваторией (High-Altitude Water Cherenkov Observatory, или HAWC) в Мексике зарегистрировала исключительно мощное гамма-излучение, идущее от Солнца. Никогда раньше астрономы не наблюдали такого излучения от нашей звезды.
Наблюдение гамма-лучей
Хотя высокоэнергетическое излучение (ни рентгеновское, ни гамма-лучи) не достигает поверхности Земли, гамма-лучи создают оставляют яркие сигнатуры, которые регистрирует HAWC. В отличие от других обсерваторий, она работает круглосуточно. «Сейчас мы располагаем методами наблюдений, которые были невозможны еще несколько лет назад», — говорит Ниса. - «В этом конкретном энергетическом режиме другие наземные телескопы не могли наблюдать за Солнцем, поскольку работали только ночью. HAWC работает круглосуточно».
Помимо того, что телескоп HAWC работает иначе, чем обычные телескопы, он и выглядит совсем иначе. Вместо трубы со стеклянными линзами в HAWC используется сеть из 300 больших резервуаров, каждый из которых заполнен примерно 200 тоннами воды. Сеть расположена между двумя спящими вулканическими вершинами в Мексике, на высоте более 4 км над уровнем моря.
HAWC наблюдает не сами гамма-лучи, а след от их столкновения с молекулами атмосферы. В результате таких столкновений образуются так называемые воздушные ливни. Гамма-излучение передает энергию частицам атмосферы. Они разгоняются до высоких скоростей и передают энергию другим частицам. Так возникает ливень, который, HAWC может «увидеть».
Когда частицы ливня взаимодействуют с водой в резервуарах HAWC, они создают так называемое черенковское излучение, которое регистрируется приборами обсерватории.
Ниса и ее коллеги начали сбор данных в 2015 году. В 2021 году команда накопила достаточно данных, чтобы начать достаточно тщательно изучать гамма-излучение Солнца.
«После изучения данных за шесть лет мы увидели явный избыток гамма-излучения по сравнению с теоретическими оценками», — говорит Ниса. — «Тогда мы подумали, что, вероятно, что-то напутали: Солнце не может быть таким ярким в гамма-диапазоне».
Создание истории
Солнце испускает большое количество света с разной энергией. Например, в результате ядерных реакций Солнце ярко сияет в световом диапазоне. Энергия этого вида излучение составляет примерно 1 электрон-вольт, что является удобной единицей измерения в физике.
Гамма-излучение, которое наблюдали Ниса и ее коллеги, имело энергию около 1 триллиона электрон-вольт, или 1 тераэлектрон-вольт, сокращенно 1 ТэВ. Удивителен не только этот энергетический уровень излучения, но и то, что его наблюдалось так много.
В 1990-х годах ученые предсказывали, что Солнце может производить гамма-излучение. Оно может возникать, когда высокоэнергетические космические лучи — частицы, ускоренные какой-то космической «электростанцией», такой как черная дыра или сверхновая, — врезаются в протоны Солнца. Однако, исходя из того, что было известно о космических лучах и Солнце, исследователи предположили, что гамма-излучение от Солнца редко достигает Земли.
Однако в то время еще не было прибора, способного регистрировать такие высокоэнергетические гамма-лучи, и его не было еще долго. Первое наблюдение гамма-излучения с энергией более миллиарда электрон-вольт было получено в 2011 году с помощью космического гамма-телескопа NASA Fermi Gamma-ray Space Telescope.
В течение последующих нескольких лет миссия Fermi показала, что эти лучи не только могут быть очень энергичными, но и что их примерно в семь раз больше, чем предполагали ученые. И похоже, что остались не зарегистрированы гамма-лучи с еще более высокими энергиями.
Когда телескоп запускается в космос, существует ограничение на размер и мощность его детекторов. Максимальный предел измерений гамма-излучения Солнца телескопом Fermi составляет около 200 млрд. электрон-вольт.
Теоретики во главе с Джоном Бикомом и Анникой Петер, профессорами Университета штата Огайо, предложили коллаборации HAWC посмотреть на это повнимательнее.
«Они подтолкнули нас и сказали: "Мы не видим границы. Возможно, вы сможете что-то увидеть"", — говорит Ниса.
Теперь, по словам Нисы, команда впервые показала, что энергия солнечных гамма-лучей достигает почти 10 ТэВ, что, по-видимому, и является максимумом.
В настоящее время это открытие порождает больше вопросов, чем ответов. Теперь ученые, занимающиеся изучением солнечной активности, будут ломать голову над тем, как именно эти гамма-лучи достигают таких высоких энергий, и какую роль в этом явлении играют магнитные поля Солнца, говорит Ниса.
«В нашем понимании ближайшей и самой дорогой звезды что-то упущено. Это показывает, что HAWC пополняет наши знания о галактике на самых высоких энергиях и открывает вопросы о нашем собственном Солнце», — говорит Ниса. — «Это заставляет нас взглянуть на вещи в новом свете. Буквально».