Как известно, галактика Млечный Путь имеет выраженно плоскую (дисковидную) форму, так как диаметр его составляет около 100 000 световых лет, а толщина — всего лишь 1000 световых лет. Тем непостижимее кажутся два огромных двойных облака, простирающихся от центра нашей Галактики на север (вверх) и на юг (вниз) от плоскости её диска. Эти структуры были открыты в 2010 году в гамма-диапазоне при анализе наблюдений космического гамма-телескопа «Ферми» и названы «пузырями Ферми». В 2020 году российско-германский космический телескоп EROSITA открыл ещё более крупные пузыри рентгеновского излучения, охватывающие пузыри Ферми как внешняя оболочка. Получилась такая картина:
Эту иллюстрацию я взял их статьи уважаемого @SLY_G рассказавшего на Хабре о пузырях Ферми ещё в 2021 году в статье «Над Млечным Путём возвышаются огромные пузыри размером с галактику», после чего эта тема оказалась на Хабре благополучно забыта. О вероятном происхождении этих пузырей, поиске аналогичных объектов близ других галактик, а также о некоторых других деталях, выяснившихся за минувшие с тех пор пять лет, я расскажу далее.
Сложно представить себе объект настолько огромный, для которого 25 000 световых лет — это не расстояние, а высота. Тем более, объект совершенно невидимый. Но пузыри Ферми, расположенные по обе стороны от балджа нашей Галактики, видны только в рентгеновском и гамма-спектре. Вдобавок, через 15 с лишним лет после открытия пузырей отсутствует какая-либо теория, объясняющая их происхождение; есть лишь ряд гипотез.
Пузыри были впервые зафиксированы в ноябре 2010 года аппаратом «Космический гамма-телескоп Ферми», который работает на орбите с 2008 года. Телескоп показал, что эти пузыри расширяющиеся со скоростью 3,5 миллиона км/ч, похожи на четыре полусферы, где внешняя северная и внешняя южная (тонкие) образованы рентгеновскими лучами, а внутренние (обширные) — гамма-лучами. По форме они напоминают «восьмёрку». От Солнечной системы до центра Галактики, где эта «восьмёрка» смыкается — около 26 000 световых лет. В плоскости Галактики на месте перемычки между пузырями расположено созвездие Стрельца.
Требуется теория, которая, как минимум, объясняла бы, какое событие могло бы высвободить такую энергию, что способна породить такие пузыри. Она сопоставима с энергией от взрыва 100 000 сверхновых. По-видимому, перемычка между пузырями расположена именно там, где находится Стрелец A* — компактный объект, который считается сверхмассивной чёрной дырой в центре нашей Галактики.
В видимом спектре пузыри Ферми совершенно не просматриваются, но в гамма-диапазоне занимают по обе стороны от Млечного Пути (то есть, на небе Северного и Южного полушарий) области по 30 000 квадратных световых лет. Источником излучения в гамма- и рентгеновском спектре являются частицы, движущиеся со скоростью света. Эти области, будь их излучение в видимом спектре, подсвечивали бы большую часть неба.
Здесь подробнее остановлюсь на том, что представляет собой компактный объект Стрелец А* (Sag A*, Saggitarius A*). В настоящее время считается, что это сверхмассивная чёрная дыра, расположенная в центре нашей Галактики. Она занимает область диаметром около 40 световых секунд и весит примерно в миллион раз больше Солнца. Возможно, Sag A* сообщает нашей Галактике столь сильный угловой момент, что именно под её влиянием Млечный Путь вращается.
Ранее в статье «Заря квазаров» я рассказывал о гипотезе, согласно которой все известные квазары удалены от нас так далеко (от 700 миллионов до 2,5 и более миллиардов световых лет) не столько в пространстве, сколько во времени. Дело в том, что квазары (компактные квазизвездные радиоисточники в центрах радиогалактик) могут быть ранними состояниями сверхмассивных чёрных дыр. Когда чёрная дыра ещё активно поглощает окружающую материю, та может устремляться за горизонт событий по спирали, как в воронку. Тем временем материя разгоняется до субсветовых скоростей и активно излучает во всех спектрах, от радио до гамма-спектра. Газ, содержащийся в пузырях Ферми, в основном имеет температуру около й миллиона кельвинов.
Уважаемый @SLY_G в своей рубрике «Спросите Итана» однажды рассказывал на Хабре, как образуются галактические джеты. Вот как они выглядят:
Джеты состоят из высокоэнергетических частиц, которые разлетаются прочь от сверхмассивной вращающейся чёрной дыры под действием электромагнитного отталкивания. Чем дальше от горизонта событий, тем более разреженными становятся эти потоки, но в гамма-диапазоне их следы должны сохраняться в течение десятков миллионов лет.
Согласно другой гипотезе, пузыри Ферми образовались в ходе «острого эпизода»: крупная звезда могла пройти слишком близко от Sag A*, из-за чего её разорвало силами, напоминающими приливные, и звёздное вещество (которое до сих пор остывает) было выброшено за пределы Галактики.
При этом три самые крупные звёздные скопления Млечного Пути, в которых до сих пор активно идёт звездообразование, также расположены близко к центру Галактики и к Sag A*. Они называются «Центральное», «Скопление Арки» и «Скопление Пяти Близнецов». В каждом из них насчитывается по несколько сотен огромных жарких новорождённых голубых звёзд, успевающих выгореть за считанные миллионы лет. С одной стороны, целая стая таких звёзд могла в какой-то момент пройти в опасной близости от Sag A*, и их энергии и массы (которые при релятивистских скоростях тождественны) хватило бы на образование таких пузырей, какие открыл «Ферми». Кроме того, в молодых звёздных скоплениях открыты экзотические объекты, называемые «двойная звезда с соударяющимися ветрами». Скорее всего, такие двойные системы состоят из голубого гиганта и экзотической звезды Вольфа-Райе. О звёздах Вольфа-Райе на Хабре рассказывала уважаемая @GreenRediska в статье «Звезды Вольфа-Райе — монстры под вуалью». Типичным образцом двойной звезды с соударяющимися ветрами считается WR140 (HD 193793), в состав которой входит звезда Вольфа-Райе в 20 солнечных масс и голубой гигант спектрального класса O в 50 солнечных масс. Обмениваясь звёздным веществом, такие звёзды выбрасывают хорошо заметные вихри, подпитываемые гамма-излучением и в миниатюре напоминающие Пузыри Ферми.
Наиболее непротиворечивую картину образования Пузырей Ферми предложил в 2023 году профессор Ютака Фуджита из Столичного университета Токио, разработавший соответствующие компьютерные симуляции на основе данных, собранных японским космическим телескопом «Судзаку».
В своих моделях профессор Фуджита учёл быстрые ветры, вытекающие из чёрной дыры, напитывающие энергией газопылевые облака, окутывающие центр Галактики. Сравнивая результаты, полученные в ходе симуляции, с фактически измеренными показателями, Фуджита пришёл к выводу, что существует высокая вероятность того, что «пузыри Ферми» образуются под действием звёздных ветров, вытекающих из области близ Sag A*, дующих со скоростью 1000 км/с на протяжении, как минимум, последних 10 миллионов лет. Эти ветры устремляются на периферию Галактики и взаимодействуют с окружающим галактическим гало, вызывая «обратный удар», который создает всплеск пик температуры. Пузыри Ферми соответствуют по объёму области внутри этого фронта обратного удара. Согласно проведённому моделированию, пузыри Ферми с высокой вероятностью должны были образоваться (и сохранять имеющуюся форму) под действием накопительного эффекта, и мгновенный взрыв в окрестностях чёрной дыры не мог дать те показатели, которые измерил телескоп. В то же время, длительные звёздные ветра к такому эффекту привести могли.
Ещё более поразительный вывод можно сделать, если предположить, что пузыри Ферми — это результат аннигиляции между обычной и тёмной материей. Ранее в переводной статье «Что, если мы никогда не найдём тёмную материю?» я упоминал, что тёмная материя не тождественна антиматерии (антивеществу). Более подробно эта тема рассмотрена сайте Prokosmos в статье Маши Иевлевой «Антиматерия: что это такое, как выглядит, где используется и почему такая дорогая». После того, как в 2019 году антивещество получили в институте ЦЕРН, можно сделать вывод, что антивещество не подходит на роль тёмной материи, то есть, не может объяснить всей той скрытой массы, которая гипотетически содержится на периферии спиральных галактик в галактическом гало.
Наконец, остановлюсь на замечательном открытии, сделанном в 2016 году командой под руководством Максима Сергеевича Пширкова из Астрономического института им. Штернберга при МГУ. Пширков, Васильев и Постнов открыли структуры, напоминающие пузыри Ферми, на периферии галактики Андромеда (М31). Несмотря на то, что мы получаем от Андромеды считанные фотоны (анализ производился на материале 700-800 фотонов от этой галактики), можно предположить, что эти структуры простираются по обе стороны от диска Андромеды и имеют адронное происхождение. Космические лучи, состоящие из адронов, взаимодействуют с диффузной внегалактической средой; в результате образуются пионы, а из них — гамма-лучи. Вот каким образом гамма-пузыри расположены относительно диска Андромеды:
Таким образом, пузыри Ферми — удивительная находка, которая пока ждёт полноценного научного объяснения. Во-первых, эти образования могут оказаться характерными элементами любой крупной спиральной галактики. Поиск подобных пузырей у других галактик, изучение их ориентации относительно галактического диска, их состава и температуры может позволить создать теорию, описывающую свойства сверхмассивных чёрных дыр, наблюдать которые напрямую чрезвычайно сложно. Области, аналогичные пузырям Ферми, можно считать отсветами таких чёрных дыр, укрытых глубоко в центрах галактик. С другой стороны, пузыри Ферми действуют подобно адронному коллайдеру (ускорителю тяжёлых элементарных частиц). Поэтому, изучая их, можно найти сверхтяжёлые элементарные частицы, для получения которых пока не хватает мощности имеющихся у нас ускорителей, а также пользоваться ими как естественным полигоном, который поможет спланировать новые эксперименты.