ГАЛАКТИЧЕСКИЙ ВЕТЕР, "ПУЗЫРИ ФЕРМИ" или черная дыра?
Two giant bubbles, forming an hourglass shape, emanate from the centre of the Milky Way (dark band is the galaxy's disc), according to a new analysis of data taken by the Fermi Gamma-ray Space Telescope (Image: Meng Su et al.)
Космический телескоп Fermi продемонстрировал ученым наличие в Млечном Пути непонятной структуры, излучающей в гамма-диапазоне. Причем её размеры сопоставимы с самой Галактикой.
Дуг Финкбинер (Doug Finkbeiner) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) первым выявил в наборе данных странное образование.
Гамма-телескоп «Ферми» был выведен на орбиту в июне 2008 года и тогда назывался GLAST. Но спустя два месяца после завершения всех тестовых работ в космосе NASA объявили о том, что аппарат теперь будет называться в честь итало-американского физика Энрико Ферми, который прославился тем, что предложил теорию, описывающую ускорение элементарных частиц между движущимися намагниченными облаками межзвездного газа.
Космическая обсерватория Ферми на орбите
The Fermi Gamma-ray Space Telescope (formerly called GLAST). Credit: NASA
Официально GLAST положено называть Космический гамма-телескоп имени Ферми, но в обиходе его обычно сокращают просто до Fermi - так же, как Космический телескоп имени Эдвина Хаббла называют Hubble'ом.
Телескоп состоит из двух основных инструментов - широкоугольного телескопа LAT (Large Area Telescope) и монитора вспышек GBM (GLAST Burst Monitor). Телескоп уже дал ученым много новой информации, касающейся эволюции Вселенной, в частности о природе темной материи и гравитации.
Orbiting at an altitude of 350 miles, the Fermi /GLAST spacecraft circles the Earth every 90 minutes
GORT (Fermi/GLAST Optical Robotic Telescope) at the Pepperwood Natural Preserve
Международный проект Fermi -телескопа LAT (Large Area Telescope), запущенный в 2008 году, представляет собой самый чувствительный гамма-телескоп в мире, который сканирует все небо каждые 3 часа.
This all-sky view from Fermi reveals bright emission in the plane of the Milky Way (center), bright pulsars and super-massive black holes.
Credit: NASA/DOE/International LAT Team
http://www.youtube.com/watch?v=Zni8KNWqO0Y&feature=related - ВИДЕО НАСА
Другие исследования не смогли найти "пузыри" из-за облака гамма-лучей, которое распространяется по небу. Оно образуется, когда частицы, движущиеся со скоростью света, взаимодействуют со светом (фотонами) и межзвездным газом.
Этот фон заполняет всё небо и мешает рассмотреть "пузыри" в деталях.
This all-sky image, constructed from two years of observations by NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope, is the deepest and best-resolved portrait of the gamma-ray sky to date. The view shows how the sky appears at energies greater than 1 billion electron volts (1 GeV).
For comparison, the energy of visible light is between 2 and 3 electron volts.
A diffuse glow fills the sky and is brightest along the plane of our galaxy (middle).
Discrete gamma-ray sources include pulsars and supernovae remnants within our galaxy as well as distant galaxies powered by supermassive black holes. Credit: INASA/DOE/Fermi LAT Collaboration
Группа Финкбайнера постоянно работает с новыми математическими моделями для открытия новых источников гамма-лучей, которые закрыты из-за так называемой диффузной эмиссии.
Они разработали специальные модели, позволившие очистить «карты» неба от шумов, т.е. составили более точную модель диффузного излучения, позволившую вычесть его из общего потока данных, и поэтому они смогли обнаружить необычные феномены по данным, полученным с телескопа.
После удаления сигналов, соответствующих «дыму», ученые увидели гигантские образования, которые они назвали «пузырями Ферми».
Сейчас они собирают больше информации для того, чтобы выяснить происхождение пузырей.
Два фиолетовых пузыря на снимке обозначают ранее неизвестное образование галактического масштаба
Небо в гамма-лучах. Сфера развернута так же, как это делается для карт Земли, сверху Полярная звезда, по центру полосой проходит Млечный путь, а пузыри можно увидеть в середине снимка сверху и снизу от полосы.
Hints of the bubbles' edges were first observed in X-rays (blue) by the ROSAT mission in the 1990s.
The gamma rays mapped by Fermi (magenta) extend much farther from the galaxy's plane. This NASA illustration was released in November 2010 (Image: NASA-GSFC)
«Мы видим два гамма-излучающих пузыря, которые простираются на 25 тысяч световых лет к северу и к югу от центра Галактики. Мы не понимаем в полной мере их характер или происхождение», - говорит ученый, который совершил открытие вместе с двумя аспирантами.
Таким образом на карте Галактики и проявились два огромных пятна с чётко очерченными краями. Пузыри выдают более энергичные гамма-выбросы, чем обычный фон.
Испускаемая ими энергия сравнима с энергией ста тысяч сверхновых - звезд, заканчивающих свою эволюцию взрывом.
Спектр и острые контуры.
The bubbles display a much more energetic ("harder") spectrum (left), with peak energies around 10 GeV, than the diffuse gamma-ray glow seen throughout the sky.
Astronomers estimate that the electrons responsible for the bubble emission must have energies greater than 500 GeV.
In addition, the bubbles display edges less than 2 degrees wide in Fermi LAT data.
Both of these qualities suggest that the structure arose in a sudden, impulsive event, such as an eruption from the Milky Way's black hole or a rapid surge of star formation in the galactic center.
Credit: NASA/DOE/Fermi LAT/D. Finkbeiner et al.
«Пузыри» простираются по обеим сторонам от центра Млечного Пути («вверх» и «вниз») почти на половину видимого неба - от созвездия Девы до созвездия Журавля. Их возраст - миллионы лет, предполагают ученые. Статья, посвященная этому открытию, принята к публикации в Astrophysical Journal.
Ранее специалисты уже обнаруживали свидетельства существования подобных гигантских структур. Так, при помощи информации, переданной зондом WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe - зонд для исследования анизотропии микроволн имени Уилкинсона), был зафиксирован повышенный уровень радиосигналов в области, где находятся пузыри.
Особенности пузырей (явные границы, пики энергии в спектре) указывают, что возникли они в результате некоего внезапного и быстрого процесса.(с точки зрения астрономии - может, миллион лет, или несколько ...)
Диаметр всей галактики, для сравнения, составляет 100 тыс. световых лет, а расстояние от Солнца до центра - около 25 тыс.
The bubbles' combined width of 50,000 light-years is about half of the entire Milky Way's diameter.
The structures extend as far as the distance between our solar system and the galaxy's core (the bubbles don't envelop Earth; they spread out in a different plane).
Структура простирается на расстояние от нашей солнечной системы до ядра галактики - однако "пузыри" не втянули в себя Землю, т.к. они распространяются в другой плоскости.
Откуда?
Точного ответа на вопрос о том, откуда взялись гигантские пузыри, у астрофизиков нет. Это, впрочем, не значит, что это явление абсолютно противоречит всем законам физики. Несколько вполне согласующихся с существующими теориями версий уже высказано.
Картина выброса струи
ACTIVE GALACTIC NUCLEI
At the center of an active galaxy lies a monster: a supermassive black hole.
As matter falls toward the hole, it forms a rotating, flattened disk called an accretion disk.
Through processes still unknown, some black holes can form jets of matter and energy that stream outward.
Active galactic nuclei, like the one depicted here in an artist’s illustration, are sites of gamma ray formation.
Fermi will observe thousands of such sources.
Прежде всего раскаленный газ мог вылететь из окрестностей черной дыры в центре галактики. Черная дыра поглощает заметную часть падающего на нее вещества, но некоторая часть при этом выбрасывается, не дойдя до так называемого горизонта событий, откуда возврат невозможен. Черные дыры формируют струи плазмы, движущейся почти со скоростью света, которые называются джетами - а рассеяние джетов может дать и увиденные астрономами пузыри.
Джет как он есть - выброс плазмы из ядра галактики М87, длина 5000 световых лет. Масса расположенной там черной дыры оценивается в несколько миллиардов масс Солнца.
Источник: NASA
Против гипотезы о джетах говорит то, что сейчас наблюдения никаких струй плазмы не выявляют, но, с другой стороны, в прошлом такие струи вполне могли существовать.
Другая гипотеза гласит, что астрономы засекли остатки материала, не израсходованного при формировании звездных скоплений Млечного пути. Общепринятая теория появления крупных галактик ( не применимая, впрочем, к самым ранним галактикам) гласит, что они возникают при слиянии меньших по размеру звездных скоплений и часть газа при этом вполне могла оказаться "за бортом". Что тоже открывает немалые перспективы для изучения прошлого Млечного пути
Gamma-ray Burst Photon Delay as Expected by Quantum Gravity
In this illustration, one photon (purple) carries a million times the energy of the other. Some theorists predict travel delays for higher-energy photons. However, Fermi data on two photons from a gamma-ray burst fail to show this effect.
Credit: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Electrons moving near the speed of light are an important source of the Milky Way's diffuse gamma-ray glow; they also power a new galactic structure uncovered in Fermi data.
When a relativistic electron strikes a low-energy (radio or infrared) photon, the collision slightly slows the electron and ramps up the photon to gamma-ray energies. Credit: NASA Goddard
«Также пузыри могли появиться из газа, образовавшегося в результате взрыва при формировании звезды. Возможно, это был именно тот взрыв, из-за которого образовались огромные звездные скопления в Млечном Пути. В других галактиках мы можем увидеть, как при взрывах образуется большое количество газа. Каким бы ни был этот источник энергии, он затрагивает самые глубокие вопросы астрофизики», - прокомментировал исследование Дэвид Шпрегель (David Spergel) из университета Принстона (Princeton University), США.
"These monsters, once fed, can produce very powerful explosions," said David Spergel, chair of Princeton University's astrophysics department
Но в одном астрономы не сомневаются: это точно не темная материя, которая связывает галактики и составляет четверть Вселенной, хотя такая версия тоже рассматривалась.
В центре нашей галактике есть и массивная черная дыра, и пульсары, и, согласно космологической теории, там должна быть и темная материя. Если верить этой же теории, то гамма-лучи появляются в результате столкновения частиц темной материи. Но после детального анализа астрономы отказались от этой версии: у источника гамма-лучей были слишком четкие границы, напоминающие пузырь, а рассеянная черная материя должна была быть другой формы. Доктор Финкбейнер (Dr. Finkbeiner) говорит, что темная материя существует миллиарды лет, у нее точно не может быть четких границ. Однако это вовсе не означает, что где-то в центре нашей галактики ее нет.
Интересно то, что доктор Финкбейнер год назад был в группе ученых Грегори Доблера из Института Кавли, которые объявили об обнаружении загадочного тумана в центре галактики, состоящего из частиц с огромным количеством энергии.
Напомним, что Джосайя Кокс (Josiah Cocks) и Эви Лоеб (Avi Loeb), сотрудники Гарвард-Смитсонианского астрофизического центра, установили, что грядущее через миллиарды лет столкновение нашего Млечного Пути с соседней галактикой Туманность Андромеды выбросит Солнечную систему в другую галактику. При этом наша система планет окажется далеко от центра. А несколько лет назад с помощью выведенных в космос телескопов «Спитцер» (Spitzer) и «Чандра» (Chandra) и расположенных на Земле обсерваторий астрономы центра увидели столкновение четырех галактик. Ожидается, что галактики в дальнейшем сольются в одну гигантскую галактику, по массе в 10 раз превосходящую ту, в которой находится Солнечная система. Это редкое явление предоставляет ученым возможность выяснить, каким образом формировались наиболее крупные галактики.
http://www.space.com/common/media/video/player.php?videoRef=SP_101109_gamma-ray-bubbles
GAMMA-RAY BURST SKY MAP
Every day, somewhere in the Universe, a black hole is born. Its birth is announced by the scream of a gamma ray burst, an event which may release as much energy in a millisecond as the Sun will in its entire life. GRBs can come from anywhere in the sky, as seen in this map made by the BATSE instrument onboard NASA’s Compton Gamma Ray Observatory.
Possible causes
Researchers aren't yet sure what created the bubbles. But the structures appear to have sharp, well-defined edges, suggesting they were formed by a large, rapid and relatively recent release of energy.
Two leading candidate causes, according to Finkbeiner, are a surge of star formation several million years ago and a burst of activity by the Milky Way's central black hole, which is as massive as four million suns.
Astronomers have observed powerful jets blasting from the supermassive black holes in other galaxies.
These jets are fueled by matter falling into the black hole.
.
While there is no evidence the Milky Way's black hole has such jets today, it may have in the past, researchers said.
"This might be the first evidence for an outburst of activity of the black hole at the center of the galaxy," Finkbeiner said.
Scientists are now conducting more analyses to get a better handle on just what drives the newly discovered bubbles, and what they can reveal about the nature of the Milky Way and the universe.
"Whatever the energy source behind these huge bubbles may be, it is connected to many deep questions in astrophysics," Spergel said.
http://www.nytimes.com/2010/11/10/science/space/10galaxy.html?_r=2&ref=science The New York Times :: Space & Cosmos
But a new analysis with more Fermi data suggests that the gamma radiation traces out a pair of distinct bubbles that span some 65,000 light years from end to end - towering above the 2000-light-year-thick disc of the galaxy
Two giant bubbles, forming an hourglass shape, emanate from the centre of the Milky Way (dark band is the galaxy's disc), according to a new analysis of data taken by the Fermi Gamma-ray Space Telescope (Image: Meng Su et al.)
Scanning the gamma ray sky
Finkbeiner and his team used observations from NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope, which maps the sky's gamma-ray light. The scientists processed data from Fermi's Large Area Telescope, the highest-resolution gamma-ray detector ever launched.
By filtering out the fog of background gamma rays suffusing the sky, the researchers were able to pick out the huge bubbles. The scientists weren't flying blind; previous studies by other astronomers using other instruments had found intriguing clues that a huge, previously unknown structure might be lurking near the Milky Way's heart.
X-ray observations from the German-led Roentgen satellite, for example, provided hints of bubble edges close to the galactic center. And NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe detected an excess of radio signals at the position of the gamma-ray bubbles, researchers said.
"We were definitely looking for something," Finkbeiner told reporters today (Nov. 9). "Some hints of this signal had been seen before, but not convincingly."
The two bubbles are dramatic, enigmatic and huge. They're emitting about the same amount of energy as 100,000 exploding stars, or supernovae, Finkbeiner said.
The bubbles' combined width of 50,000 light-years is about half of the entire Milky Way's diameter. The structures extend as far as the distance between our solar system and the galaxy's core (the bubbles don't envelop Earth; they spread out in a different plane).
A paper about the findings will be published in an upcoming issue of The Astrophysical Journal.
http://iopscience.iop.org/0004-637X/724/2/1044
Douglas Finkbeiner, Associate Professor of Astronomy and of Physics
University of Michigan, double major in Physics and German (1994)
Ph.D. from Berkeley Physics (1999)
Hubble Fellow, Russell Fellow, Princeton Astronomy (2001-2006)
Faculty, Harvard Astronomy Dept. (2006-present)
Faculty, Harvard Physics Dept. (2009-present)
The Astrophysical Journal
Volume 724, Number 2
Giant Gamma-ray Bubbles from Fermi-LAT: AGN Activity or Bipolar Galactic Wind?
Meng Su, Tracy R. Slatyer, Douglas P. Finkbeiner
(Submitted on 29 May 2010 (v1), last revised 18 Oct 2010 (this version, v3))
Data from the Fermi-LAT reveal two large gamma-ray bubbles, extending 50 degrees above and below the Galactic center, with a width of about 40 degrees in longitude. The gamma-ray emission associated with these bubbles has a significantly harder spectrum (dN/dE ~ E^-2) than the IC emission from electrons in the Galactic disk, or the gamma-rays produced by decay of pions from proton-ISM collisions.
There is no significant spatial variation in the spectrum or gamma-ray intensity within the bubbles, or between the north and south bubbles. The bubbles are spatially correlated with the hard-spectrum microwave excess known as the WMAP haze; the edges of the bubbles also line up with features in the ROSAT X-ray maps at 1.5-2 keV.
We argue that these Galactic gamma-ray bubbles were most likely created by some large episode of energy injection in the Galactic center, such as past accretion events onto the central massive black hole, or a nuclear starburst in the last ~10 Myr.
Dark matter annihilation/decay seems unlikely to generate all the features of the bubbles and the associated signals in WMAP and ROSAT; the bubbles must be understood in order to use measurements of the diffuse gamma-ray emission in the inner Galaxy as a probe of dark matter physics. Study of the origin and evolution of the bubbles also has the potential to improve our understanding of recent energetic events in the inner Galaxy and the high-latitude cosmic ray population.
Comments: 46 pages, 28 figures, accepted by ApJ
Subjects: High Energy Astrophysical Phenomena (astro-ph.HE); Galaxy Astrophysics (astro-ph.GA)
Cite as: arXiv:1005.5480v3 [astro-ph.HE]
http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/main/index.html - FERMI
http://fermi.gsfc.nasa.gov/
http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/new-structure.html - BUBBLES
http://www.space.com/common/media/video/player.php?videoRef=SP_101109_gamma-ray-bubbles#comments - видео
