Как физики ищут в небе источники петаэлектронвольтовых космических лучей

N+1Наука

Да кто такой этот ваш певатрон

Как физики ищут в небе источники петаэлектронвольтовых космических лучей

Николай Мартыненко

К середине XX века астрофизики поняли, что в нашей галактике есть мощные ускорители космических лучей — певатроны. Хотя что это за объекты: ударные волны остатков сверхновых, пульсары, области звездообразования или даже сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, можно было только предполагать. Понадобилось 30 лет, чтобы экспериментаторы догнали теоретиков и научились искать эти загадочные источники, — а потом еще столько же, чтобы наконец получить первые результаты. N + 1 разбирается, зачем певатроны нужно было придумать и почему теперь придется их перепридумать.

В июле 1054 года китайские астрономы заметили на восточном небе новую звезду — она засияла ярче Венеры и была видна больше трех недель. Тысячу лет спустя на месте этой вспышки находится Крабовидная туманность — остаток взрыва. В XXI веке этот объект снова оказался в центре внимания китайской обсерватории — LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory).

Результат работы LHAASO — целый букет высокоэнергетических гамма-квантов: совсем недавно детекторы нашли 12 потенциальных певатронов внутри Млечного Пути, зарегистрировав 530 событий с энергиями гамма-квантов от 100 тераэлектронвольт до рекордных 1,4 петаэлектронвольта (1,4×1015 электронвольт). В июле 2021 года эти данные позволили признать, наконец, певатроном Крабовидную туманность.

Казалось бы, нужно радоваться — на случай «певатронности» Крабовидной туманности у теоретиков было готовое объяснение. Однако случилась неожиданность: певатрон в туманности экспериментаторы действительно нашли, но, кажется, не тот, который ожидали их коллеги.

Запертые в Галактике

Почти сто лет назад американский физик Роберт Милликен придумал термин «космические лучи». Так он назвал ионизирующее излучение с высокой проникающей способностью, которое наблюдал в земной атмосфере на высоте до 15 километров с помощью аэростатов с подвешенными на них приборами. С названием Милликен не прогадал — сегодня нет никаких сомнений в том, что это излучение приходит на Землю из космоса и заполняет не только окрестности нашей планеты, но и всю галактику.

Милликен привязывает прибор к аэростату. Caltech Archives, 1938

Тем не менее, мы до сих пор не можем окончательно объяснить распределение этих лучей по энергии: для этого важно понимать, что влияет на распространение космических лучей во время их путешествия к Земле.

Наша галактика, как и все другие, обладает магнитным полем, поэтому заряженные частицы, из которых состоят космические лучи, движутся в ней не по прямой. Сила Лоренца искривляет траекторию частиц: галактика словно держит их на цепи и далеко не отпускает, постепенно разворачивая направление их движения и не давая улететь прочь.

Симуляции траекторий заряженных частиц с энергиями от 0,1 до 100 петаэлектронвольт в магнитных полях, близких к наблюдаемым в окружающем нас регионе галактики. У менее энергетичных частиц — более запутанные траектории. Kristian Andersen / Norwegian University of Science and Technology, 2017

У этой галактической хватки, конечно, есть предел — чтобы сбежать, частице надо хорошенько разогнаться. Оценить, сможет ли заряженная частица покинуть галактику, можно по характерному радиусу кривизны ее траектории. Он прямо пропорционален импульсу частицы и обратно пропорционален ее заряду и величине магнитного поля — то есть чем быстрее движется частица и чем слабее удерживает ее поле, тем больше вероятность сорваться с привязи, на которой ее удерживает галактика. Если у частицы небольшая энергия, то магнитное поле галактики (порядка микрогаусса) будет удерживать ее внутри галактического диска, толщина которого — сотни парсек. Высокоэнергетические частицы, у которых радиус кривизны траектории значительно превосходит эту толщину, будут беспрепятственно ее покидать.

Оказывается, что энергетическая граница между свободой и несвободой слабозаряженных космических лучей находится в области петаэлектронвольта. Энергия всего одной такой частицы сопоставима с кинетической энергией капли дождя, число элементарных частиц в которой — порядка 1022. Для сравнения: энергии фотонов видимого света — единицы электронвольт, а на Большом адронном коллайдере пучки протонов разгоняют до энергий в 1012 электронвольт. Поэтому когда до Земли долетают космические лучи с энергией больше петаэлектронвольта, это с большой вероятностью беглецы из других галактик, а частицы меньших энергий (за редким и случайным исключением) путешествуют в пределах Млечного Пути.

Разницу между «местными» и «залетными» частицами увидели в конце пятидесятых годов советские физики: они обнаружили в спектре космических лучей излом в интервале между 1 и 10 петаэлектронвольт. При меньших энергиях график зависимости потока частиц от энергии более пологий, а при больших — более крутой. В профессиональной терминологии этот перегиб называют «коленом» — спектр космических лучей напоминает человеческую ногу.

«Колено» и «лодыжка» в спектре космических лучей. Marc Kachelrieß & Dmitry Semikoz / arXiv.org, 2019

На том же спектре видно, что до «колена», в диапазоне энергий порядка 1010—1015 электронвольт, график очень плавный. А значит, все эти частицы ускоряются и распространяются в одних и тех же условиях: крайне маловероятно, что спектр совершенно разных источников случайно склеился в гладкую кривую.

При этом большая часть этих частиц — с энергией намного меньше петаэлектронвольта — надежно заперта внутри нашей галактики магнитным полем. Поскольку все эти частицы — и те, которым не хватает энергии на побег из галактики, и те, которым хватает, — мы видим на одном гладком участке спектра, то источник у них должен быть общий. А раз среди них есть заведомо «невыездные» частицы, то и все остальныечастицы с этого графика должны были ускориться где-то в пределах Млечного Пути. Получается, что в нашей галактике есть певатроны — источники космических лучей предельной для внутригалактического фона энергии. Но что это такое? Какой объект может быть источником такого мощного излучения? И какая физика стоит за процессами, которые разгоняют частицы на порядки эффективнее рукотворных ускорителей?

Туманность Медуза — источник ТэВных гамма-квантов / Carsten Frenzl / flickr

С места в барьер

Попытки теоретически объяснить, как ускоряются космические лучи, появились еще за несколько лет до экспериментального обнаружения «колена». Уже в 1949 году Энрико Ферми опубликовал работу, в которой объяснял ускорение многократным взаимодействием частиц с магнитным неоднородностями, которые появляются в космосе из-за постоянного перемешивания плотных облаков вещества с разреженной фоновой средой.

Ферми сравнил этот механизм с чередой столкновений частицы с тяжелыми беспорядочно движущимися препятствиями, — что-то вроде галактического пинбола, когда при каждом столкновении частица в среднем получает прибавку к энергии пропорционально уже набранной. Поэтому, если сопутствующие потери малы по сравнению с приростом, частица будет набирать энергию экспоненциально с числом столкновений — до тех пор, пока не покинет область магнитных неоднородностей. Энергетический спектр же для всех частиц получается степенной — то есть их поток спадает с увеличением энергии как степенная функция, что отвечает наблюдениям.

Но в «модели пинбола» есть проблема инжекции: чтобы начать ускоряться по механизму Ферми, частице сначала надо разогнаться до энергий в диапазоне гигаэлектронвольт (иначе прироста энергии не будет из-за ионизации: частица будет тормозиться об атомы окружающего вещества, отрывать от них электроны и тратить на это энергию) — а четкого понимания, как происходит это первичное ускорение, не было. Особенное сомнение вызывали тяжелые ядра, которые к тому времени уже видели в составе космических лучей — для них энергия инжекции должна быть столь велика (сотни гигаэлектронвольт), что удачное ускорение в межзвездной среде, по словам самого Ферми, «не представляется вероятным».

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Начало неолита на северо-западе Южной Азии сдвинули примерно на три тысячи лет Начало неолита на северо-западе Южной Азии сдвинули примерно на три тысячи лет

Почему ученые пересмотрели хронологию поселения Мехргарх?

N+1
«Ведь ты этого достойна…» «Ведь ты этого достойна…»

Как найти баланс между любовью к себе и заботой о близких

Лиза
Бугорки на броне древних рыб превратились в наши зубы всего за 460 миллионов лет Бугорки на броне древних рыб превратились в наши зубы всего за 460 миллионов лет

Как появились наши чувствительные зубы изначально из «бронежилета» вымерших рыб

ТехИнсайдер
Аэропорт Сан-Франциско стал убежищем для 1300 редких змей Аэропорт Сан-Франциско стал убежищем для 1300 редких змей

Аэропорт стал убежищем для популяции калифорнийских подвязочных змей

N+1
Тревожное исследование: ChatGPT убивает наше критическое мышление Тревожное исследование: ChatGPT убивает наше критическое мышление

Чем чрезмерное использование нейросетей крайне вредно для нашего мозга

ТехИнсайдер
Человек уткнувшийся: всё о смартфонозависимости в печальных фактах, неожиданных цифрах и полезных советах Человек уткнувшийся: всё о смартфонозависимости в печальных фактах, неожиданных цифрах и полезных советах

Не слишком ли часто ты утыкаешься в смартфон?

Maxim
Древние жители Тывы научились плавить железо более 1600 лет назад Древние жители Тывы научились плавить железо более 1600 лет назад

Археологи исследовали поселение Катылыг-5 кокэльской культуры

N+1
От тамагочи до попрыгунчиков: 7 игрушек из 90-х, вызывающих приступ ностальгии От тамагочи до попрыгунчиков: 7 игрушек из 90-х, вызывающих приступ ностальгии

Глядя на эти игрушки, хочется вернуться в детство

Playboy
Любит распродажи и выпивает в барах: секреты «нормальной» жизни Кейт Миддлтон Любит распродажи и выпивает в барах: секреты «нормальной» жизни Кейт Миддлтон

Поступки герцогини Кембриджской доказывают, что она скучает по обычной жизни

Cosmopolitan
«Мои дети — лучшие в классе» «Мои дети — лучшие в классе»

Оксана Акиньшина о воспитании собственных детей и работе над собой

OK!
«Встречаться с миллиардером совсем не весело»: история модели Джилл Додд «Встречаться с миллиардером совсем не весело»: история модели Джилл Додд

Джилл Додд стала известной моделью уже к 20 годам

Cosmopolitan
В бразильской Амазонии открыли новый вид игрунок В бразильской Амазонии открыли новый вид игрунок

Зоологи открыли неизвестный ранее вид игрунок в штате Мату-Гроссу

N+1
Искусство онлайн: как технологии помогают посещать музеи во время пандемии Искусство онлайн: как технологии помогают посещать музеи во время пандемии

Проект на стыке искусства и технологий – виртуальные художественные галереи

Популярная механика
Тонкие и ломкие волосы: как подлечить и как ухаживать Тонкие и ломкие волосы: как подлечить и как ухаживать

Тонкие и ломкие волосы – проблема не новая. Но всё поправимо!

Cosmopolitan
ДТП вековой давности: история одного фото ДТП вековой давности: история одного фото

В ч/б и в цвете — можно рассмотреть все детали

Вокруг света
Почему после второго «Отряда самоубийц» вам не захочется смотреть рядовые кинокомиксы Почему после второго «Отряда самоубийц» вам не захочется смотреть рядовые кинокомиксы

С радостью заявляем, что сиквел получился намного лучше первой части

GQ
Трави заранее! Что необходимо знать о давлении в шинах на бездорожье Трави заранее! Что необходимо знать о давлении в шинах на бездорожье

Что необходимо знать о давлении в шинах на бездорожье

4x4 Club
Музыка в гараже, церкви и фургоне: как создавались студии, где записывали Queen, The Rolling Stones и Oasis Музыка в гараже, церкви и фургоне: как создавались студии, где записывали Queen, The Rolling Stones и Oasis

Как создавали первые пластинки Дэвиса и Пресли

VC.RU
Сколько нужно краски, чтобы покрасить Эйфелеву башню Сколько нужно краски, чтобы покрасить Эйфелеву башню

Эйфелеву башню покрасят в золотистый цвет. Сколько краски для этого понадобится?

Популярная механика
Сотрудники на удалёнке совмещают две работы втайне от начальства — и получают от $200 тысяч до $600 тысяч в год Сотрудники на удалёнке совмещают две работы втайне от начальства — и получают от $200 тысяч до $600 тысяч в год

Сотрудники придумали, как отлынивать и работать сразу в нескольких компаниях

VC.RU
Я рабыня королевы Вселенной! Скандалы с прислугой Терон, Мадонны и других звезд Я рабыня королевы Вселенной! Скандалы с прислугой Терон, Мадонны и других звезд

Персоналу звезд иногда приходится работать в адских условиях

Cosmopolitan
Как выглядят возлюбленные и мужья звезд сериала «Желтый глаз тигра» Как выглядят возлюбленные и мужья звезд сериала «Желтый глаз тигра»

Личная жизнь звезд сериала «Желтый глаз тигра» оказалась довольно драматичной

Cosmopolitan
Зачем брали? Зачем брали?

Часто похитители, посягнувшие на великое искусство, не знают, что с ним делать

Robb Report
Самые бесполезные и смешные факты со всего света и за всю историю человечества Самые бесполезные и смешные факты со всего света и за всю историю человечества

Огромнейшее количество фактов, которые заинтересуют любую девушку

Maxim
Токсичная подруга: 6 типов девушек, от которых тебе стоит держаться подальше Токсичная подруга: 6 типов девушек, от которых тебе стоит держаться подальше

Есть нюанс: некоторые женщины с тобой вовсе не дружат. Они тобой манипулируют

Cosmopolitan
Астрономы решили парадокс солнечного натрия Астрономы решили парадокс солнечного натрия

Парадокс солнечного натрия существовал более 20 лет

N+1
И вечный бой И вечный бой

Оттираем тяжелые пятна – быстро, легко и без следа

Лиза
Не меньше девяти нулей: сколько зарабатывают богатейшие женщины России Не меньше девяти нулей: сколько зарабатывают богатейшие женщины России

25 богатейших женщин России – 2021

Cosmopolitan
Шницель Лионеля Месси Шницель Лионеля Месси

Рецепт шницеля по-аргентински, любимого блюда Лионеля Месси

Weekend
Гороскоп отношений: как он создается и на что нужно обращать внимание Гороскоп отношений: как он создается и на что нужно обращать внимание

Почему общий гороскоп личной жизни не работает

Cosmopolitan
Открыть в приложении