В ясную ночь, вдали от городских огней, на небе можно увидеть красивейшую кружевную арку, точно сплетенную из мириад звезд, – это вид с ребра диска нашей родной галактики Млечный Путь.

С древних времен люди дивились на темные облака, плывущие на молочно-белом фоне, и всего 400 лет назад Галилео Галлей, наведя телескоп на небо, обнаружил, что это молоко – свет бесчисленных звезд. Устройство нашей Галактики было вновь пересмотрено благодаря использованию телескопа совершенно нового типа.

Были открыты колоссальные структуры, возвышающиеся над галактическим центром и простирающиеся в космос на десятки тысяч световых лет. Эти светящиеся лепестки долго оставались незамеченными, потому что оказались видны только в гамма-лучах, для которых земная атмосфера непрозрачна. Некоторые исследователи называют такие образования пузырями Ферми. Их природа загадочна, но ясно одно: они возникают благодаря бурным процессам в центральных областях нашей Галактики.

Сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути раскручивает горячий газ, в водоворотах которого зарождаются звезды, распускаясь, как нарциссы в плодородном питомнике. Звезды образуются в областях, богатых химическими элементами – этими «кирпичиками» для звезд новых поколений.

Пузыри Ферми были обнаружены почти случайно, но, будучи открытыми, стали предметом тщательных исследований: вполне возможно, что они смогут многое рассказать о рождении и эволюции нашей Галактики.

Первые свидетельства непонимания астрофизиками деталей внутреннего устройства Млечного Пути пришли не с гамма-лучами, а с радиоволнами микроволнового диапазона. Шел 2003 год – все исследователи космоса были заняты анализом радиоданных по анизотропии реликтового излучения, полученных космическим аппаратом WMAP. Рассматривался и вопрос о вкладе межзвездной пыли в эти радиокарты.

Пыль, безусловно, представляет самостоятельный интерес для астрономов, однако в данном случае для исследователей ранней Вселенной эта пыль стала досадным паразитным сигналом, который было необходимо аккуратно задать соответствующей моделью, а затем постараться как можно точнее отделить и вычистить из космологических данных. Из данных WMAP нужно было удалить не только пыль.

Поскольку астрономы вынуждены наблюдать реликтовый фон, находясь внутри богатого своим собственным излучением Млечного Пути, то паразитным сигналом считается также и синхротронное излучение нашей Галактики. В 2003 году уже существовали довольно эффективные методы по удалению указанных вкладов, однако даже после фильтрации оставался какой-то неучтенный сигнал.

Источником неизвестного сигнала оказались центральные области Галактики. Одной из возможных его интерпретаций стало наличие в этих областях темной материи. Как известно, сведения о ее составе тоже до сих пор темны – на основе наблюдений установлено только то, что темная материя может взаимодействовать с обычным веществом посредством гравитации.

По сравнению со многими другими галактиками Вселенной наш Млечный путь является довольно «тихим местечком». Но так было не всегда. В 2010 году команда астрономов из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра обнаружила структуры, получившие название «пузырей Ферми» и представляющие собой два гигантских пузыря, простирающихся в обе стороны от плоскости диска Млечного пути на десятки тысяч световых лет.

Эти образования порождены электромагнитным излучением, исходящим из центра нашей галактики. Их существование может указывать на высокоэнергетическое событие, имевшее место миллионы лет назад и, по-видимому, состоящее в том, что гигантская черная дыра, лежащая в центре нашей галактики, поглощала колоссальные количества газа и пыли – возможно, в сотни или тысячи раз превышающие массу Солнца.

Три физика-первооткрывателя «пузырей Ферми»: Дуглас Финкбейнер, Трэйси Слейтер и Мэнь Су дали интервью изданию Kavli Foundation, в котором обрисовали направления возможных исследований обнаруженного ими ранее космического феномена.

Первое, что отметили ученые – это тот факт, что наукой до сих пор не подтверждено единство механизмов образования гигантских пузырей Млечного пути и подобных им структур, обнаруживаемых в других галактиках Вселенной. Дело в том, что, в отличие от «пузырей Ферми» Млечного пути, наблюдаемых в гамма-диапазоне электромагнитного спектра, подобные им «пузыри», расположенные в иных галактиках, наблюдаются лишь в рентгеновском, радио- и микроволновом диапазонах. Это связано, в первую очередь, с тем, что значительная удаленность от нас таких объектов не позволяет рассмотреть наиболее высокоэнергетическую составляющую спектра их излучения.

Кроме того, добавили исследователи, измерение интенсивности гамма-лучей гигантских пузырей Млечного пути может помочь обнаружить облако темной материи, предположительно, лежащее близ центра нашей галактики, так как взаимодействие между частицами таинственной субстанции может сопровождаться испусканием гамма-квантов.

Масштабы этих космических явлений способны "снести ум" каждому человеку. Вполне очевидно, что эти пузыри исходят из самого ядра нашей галактики и эти два "лепестка" гамма-излучения расходятся в окружающее космическое пространство на десятки тысяч световых лет. Оба "пузыря" состоят из гамма-лучей достаточно высокого уровня яркости. "Такое ощущение, что в центр нашей галактики кто-то ввернул две ярких лампы накаливания, размером в 300 тысяч световых лет каждая" – пишут ученые из Стэнфордского университета.

Открытие "пузырей" было сделано при помощи гамма-телескопа Fermi, который вращается на орбите высоко над атмосферой Земли, активно поглощающей гамма-излучение. Без этого телескопа ученые не смогли бы даже узнать о существовании такого необычного космического явления.

Первой теорией, выдвинутой учеными сразу после обнаружения гамма-пузырей, стало предположение, что они произошли в результате древнего "извержения" сверхмассивной черной дыры, находящейся в центре нашей галактики, в результате которого в космическое пространство было выброшено огромное количество возбужденной до высокой энергии материи, являющейся источником гамма-излучения. Но впоследствии тщательная проверка имеющихся данных не подтвердила такого предположения.

После того, как ученые убрали фоновое гамма-излучение от всех известных источников в нашей галактике, им удалось очень точно обозначить границы гамма-пузырей, края которых находятся в непосредственной близости от галактических джетов микроволнового излучения. Однако, микроволновое излучение джетов постепенно рассеивается и исчезает, а гамма-лучи излучаются равномерно по всему объему пузырей. "Самым интересным является то, что у пузырей Ферми нет известных копий в других длинах волн, что могло дать нам некоторые подсказки относительно природы их появления" – рассказывает Анна Фрэнкоуиэк (Anna Franckowiak), одна из ученых-астрономов, занимающихся данной проблемой.

В настоящее время ученые уже успели выдвинуть несколько теорий, но ни одна из них не объясняет ни формы, ни уровня яркости, ни других параметров этих фабрик по производству гамма-лучей. Но исследователи из Стэнфордского университета считают, что ученым все же удастся разгадать загадку происхождения гамма-пузырей, только для этого будет необходимо проведение тщательных дополнительных исследований гамма-излучения из центра нашей галактики, сопряженные с поисками других источников гамма-лучей, влияние которых надо будет учитывать при составлении общей картины.

Если смотреть на нашу Галактику, Млечный Путь, в плоском изображении, как ее обычно и показывают, то она покажется огромной. Но при взгляде сбоку этот объект оказывается тонким и клочковатым. Увидеть Млечный Путь с этой стороны не удавалось, пока ученые не научились взглянуть на галактику иначе с помощью гамма-излучения и рентгеновских лучей. Оказалось, что из диска нашей галактики перпендикулярно буквально выпирают Пузыри Ферми. Длина этого космического образования около 50 тысяч световых лет или же половина всего диаметра Млечного Пути.

Откуда появились Пузыри Ферми, даже НАСА пока не может дать ответ. Вполне вероятно, что это может быть остаточным излучением от сверхмассивных черных дыр в самом центре галактики. Ведь большие объемы энергии предполагают выделение гамма излучения.

Специалисты спорят, что же может представлять собой это необычное явление. Предположительно, речь идет о следе «извержения» сверхмассивной черной дыры. «Гамма-пузыри» могли появиться в результате «закачки» энергии в центр Млечного Пути. Еще один странный вариант: области возникли из-за интенсивного процесса звездообразования в центральной части Галактики.

Природа пузырей Ферми пока неясна. По одной из гипотез, они связаны с недавней активностью центра Галактики. В центре Млечного Пути расположена сверхмассивная черная дыра Стрелец А, масса которой в 4 миллиона раз больше солнечной. При падении (аккреции) вещества на черную дыру и его ускорении в горизонте событий образуются релятивистские струи, или джеты, – потоки плазмы, вырывающиеся из активных ядер галактик и квазаров.

Сегодня наша Галактика довольно спокойный уголок Вселенной, но если у Млечного Пути действительно были джеты, то пузыри Ферми могли образоваться из материала, поднятого ими.

По другой гипотезе, эти структуры появились в результате массового превращения звезд в центре Галактики в сверхновые. Эти звезды, обладавшие вихрями высокоэнергетических частиц, могли появиться в ходе кратковременной вспышки звездообразования. Обе гипотезы пытаются объяснить, как возник столь мощный поток заряженных частиц.

Подобные структуры были обнаружены и в других галактиках. Так, в 2016 году российские астрономы заметили нечто похожее у галактики Андромеды (М31).

Измерение интенсивности гамма-излучения пузырей Ферми может помочь обнаружить облако темной материи, предположительно расположенное близ центра нашей Галактики, так как взаимодействие между частицами таинственной субстанции может сопровождаться испусканием гамма-квантов. Гамма-излучение, испускаемое пузырями Ферми, можно вычесть из общего сигнала гамма-излучения и получить в остатке излучение, исходящее из темной материи.

Гигантские пузыри расширяющегося газа, которые находятся над Млечным путем и под ним, впервые наблюдались в видимом диапазоне света: движение газа меняет длину волны света, при движении в нашу сторону он кажется голубым, а удаляясь становится красным.

Свечение испускал газообразный водород, который был электрически заряжен или ионизирован. Такое объяснение дали астроном Данеш Кришнарао из Университета Висконсин-Мэдисон и его коллеги, наблюдавшие явление.

Внутри пузырьков газ движется наружу, в результате чего меняется длина волн света. Сдвиг длины волны позволил исследователям точно определить скорость расширения газа в одной из областей пузырей. Используя телескоп Wisconsin H-Alpha Mapper (WHAM), ученые установили, что газ стремится наружу со скоростью около 220 километров в секунду. Примерно ту же скорость получили исследователи во время предыдущего измерения с использованием ультрафиолета.

Ранее Пузыри Ферми изучались в ультрафиолетовом диапазоне, в ходе чего использовался свет далеких квазаров, проходящий через газ, но данным методом невозможно измерить скорость, температуру и плотность газа. В новом исследовании применялся телескоп под названием Wisconsin H-Alpha Mapper (WHAM), взгляд которого охватывает все небо.

Телескоп WHAM может наблюдать атомы водорода-альфа. В атоме H-альфа электрон перепрыгивает с третьего энергетического уровня на второй, что оставляет характерную четкую спектральную линию.

Исследователи также наблюдали линии эмиссии азота в Пузырях Ферми. Они сопоставили свои наблюдения с данными Хаббла и наложили полученные изображения для оценки плотности, давления и температуры ионизированного газа. Выводы позволят понять, откуда взялся этот газ.

Астрономы считают, что событие, создавшее Пузыри Ферми, произошло несколько миллионов лет назад. Некоторые исследователи полагают, что сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики Стрелец A втянула в свой аккреционный диск массивное облако водорода и выбросила часть его в космос.

Температура газа в пузырях составляет 8900 ± 2700 градусов по Кельвину (8627 ± 2427 градусов Цельсия), а обнаруженное тепловое давление «больше, чем предсказанное моделями».

Но, несмотря на подробность выводов, непонятно что стало причиной появления Пузырей Ферми. Исследователи надеются найти ответ на этот вопрос и узнать, что произошло несколько миллионов лет назад в центре Млечного Пути и сформировало эти гигантские пузыри.

Природа пузырей Ферми до конца не ясна. Однако их расположение однозначно указывает на связь пузырей с активностью центра нашей Галактики, где происходит выделение гигантской энергии в результате приливного разрушения звёзд при падении (аккреции) на центральную чёрную дыру с массой 10⁶ солнечных масс.