Новое изучение данных, полученных космическим телескопом NASA NuSTAR, указывает на то, что Эта Киля (Eta Carinae), самая яркая и массивная звездная система в радиусе 10 тысяч световых лет, представляющая собой двойную звезду-гипергигант, ускоряет частицы до высоких энергий. Причем некоторые из них могут достигать Земли уже в виде космических лучей.

Мощный выброс 1840 годов образовал видимую на сделанном телескопом Hubble снимке туманность Гомункула, масса которой эквивалентна десяти солнечным массам. Фото: NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team

«Мы знаем, что шоковые волны взорвавшихся звезд могут ускорять частицы космических лучей до околосветовой скорости, и это представляет собой невероятный импульс энергии», - говорит Кензи Хамагучи, астрофизик Центра космических полетов Годдарда NASA в Гринбелте (Мэриленд), руководитель исследования. - «Подобные процессы должны происходить и в других экстремальных окружениях. И наш анализ говорит о том, что Эта Киля входит в их число».

Астрономы знают, что к нам попадают космические лучи из-за пределов нашей Солнечной системы, обладающие энергиями более миллиарда электронвольт. Но так как все эти частицы (электроны, протоны и атомные ядра) несут электрический заряд, они отклоняются от своей траектории, когда попадают на магнитные поля. Это размывает их траектории и маскирует их происхождение.

Эта Киля располагается примерно в 7 500 световых годах от нас в направлении Южного созвездия Киля (Carina). Система эта известна вспышкой, которая наблюдалась в XIX столетии, что на некоторое время превратило ее в самую яркую звезду на земном небосводе. Кроме того, это событие привело к образованию массивной туманности в форме песочных часов, но причина этого извержения толком непонятна до сих пор.

Система включает в себя две массивные звезды, эксцентрическая орбита обращения которых сводит их на очень близкое расстояние каждые пять с половиной лет. Звезды имеет 90 и 30 солнечных масс соответственно и в момент максимального приближения друг к другу находятся на расстоянии всего 225 миллионов километров. Это примерно соответствует средней дистанции между Солнцем и Марсом.

Этот комбинированный снимок создан на основании рентгеновских данных космического телескопа Chandra. Цвета обозначают разные энергетические диапазона: красный маркирует энергии от 300 до 1 000 электронвольт, зеленый – энергии от 1 000 до 3 000 электронвольт, а синий – диапазон от 3 000 до 10 000 электронвольт. Наблюдения NuSTAR (зеленые контуры) выявили рентгеновский источник с энергией, втрое превышающей те, что выявил телескоп Chandra. © NASA / CXC and NASA / JPL-Caltech

«Обе звезды системы Эта Киля создают сильные истечения, которые принято называть звездными ветрами», - говорит член команду исследователей Майкл Коркоран из Центра космических полетов Годдарда. - «Когда эти ветра в ходе орбитального цикла сталкиваются друг с другом, создается периодический сигнал в малоэнергетическом нижнем рентгеновском диапазоне, который мы наблюдаем уже более двух десятков лет».

Космический телескоп NASA Fermi наблюдает также изменение в гамма-диапазоне (значительно более сильный энергетически свет, чем рентгеновское излучение) на одном из источников в направлении Эта Киля. Но взгляд Fermi не настолько остр, как это имеет место в случае рентгеновских телескопов, поэтому астрономам не удавалось подтвердить связь.

Чтобы закрыть пробел между наблюдениями в нижнем рентгеновском диапазоне и наблюдениями Fermi, Хамагучи и его коллеги обратились к космическому телескопу NuSTAR. Телескоп NuSTAR был запущен в 2012 году. Он способен регистрировать рентгеновские лучи значительно более высоких энергий, чем любой другой телескоп-предшественник. Используя новые и архивные данные, команда проанализировала наблюдения NuSTAR, которые производились с марта 2014 года по июнь 2016 года. Также для анализа были использованы данные наблюдений в нижнем рентгеновском диапазоне космического телескопа Европейского космического агентства XMM-Newton за этот же период.

Малоэнергетические или «мягкие» рентгеновские лучи Эта Киля происходят из газа в зоне коллизии сталкивающихся звездных ветров, где температуры превышают отметку в 40 миллионов градусов Цельсия. Но NuSTAR зарегистрировал источник, который испускает рентгеновские лучи выше 30 тысяч электронвольт. Это примерно в три раза больше, чем можно было бы объяснить шоковыми волнами или сталкивающимися звездными ветрами. Для сравнения: энергия видимого света занимает диапазон от двух до трех электронвольт.

Проведенный командой анализ показывает, что эти «жесткие» рентгеновские лучи варьируются с орбитальным периодом двойной звездной системы, и что они показывают похожую модель отдачи энергии, как и наблюдавшаяся Fermi эмиссия гамма-излучений. Отчет об исследовании был опубликован 2 июля 2018 года в журнале Nature Astronomy.

Ученые считают, что лучшее объяснение жестким рентгеновским лучам и гамма-эмиссиям – это электроны, которые получают ускорение от мощных шоковых волн вдоль границы между сталкивающимися звездными ветрами. Зарегистрированные телескопом NuSTAR рентгеновские лучи и принятые телескопом Fermi гамма-лучи происходят из звездного света, который вследствие взаимодействия с этими электронами получают гигантский энергетический импульс. Некоторые из сверхбыстрых электронов и другие ускоренные частицы явно происходят из этой системы, достигая, в конце концов, Земли, где их удается зарегистрировать в виде космических лучей.

«Уже некоторое время мы знаем, что регион вокруг Эта Киля является источником энергонасыщенных эмиссий в высокоэнергетических рентгеновских и гамма-диапазонах», - говорит Фиона Харрисон, ведущий специалист миссии NuSTAR и профессор астрономии Калифорнийского технологического института (Caltech) в Пасадене (Калифорния). - «Но до того как NuSTAR оказался в состоянии осуществить локализацию и показать, что они происходят из системы двойной звезды, а мы смогли детально проанализировать их свойства, происхождение их оставалось загадкой».