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

«Болезни Империи. Как пытки рабов и зверства во время войн изменили медицину» «Болезни Империи. Как пытки рабов и зверства во время войн изменили медицину»

Почему во время Крымской войны большинство солдат погибало в госпиталях

N+1
Расслабься и носи что хочешь: эйджизм в одежде — почему о нем стоит забыть Расслабься и носи что хочешь: эйджизм в одежде — почему о нем стоит забыть

Существуют ли в моде возрастные рамки?

Cosmopolitan
Тайна затонувшего галеона «Сан-Хосе»: что рассказали золотые монеты на морском дне Тайна затонувшего галеона «Сан-Хосе»: что рассказали золотые монеты на морском дне

Ученые изучили корабль «Сан-Хосе» и его хрупкие останки

ТехИнсайдер
Как предательство погубило французскую революцию Как предательство погубило французскую революцию

Предательство проворовавшегося друга стоило революционеру Робеспьеру жизни

Вокруг света
Пища для глаз: что такое визуальный голод и как фотографии еды воздействуют на мозг Пища для глаз: что такое визуальный голод и как фотографии еды воздействуют на мозг

Как наш мозг реагирует на виртуальное питание

Forbes
Хребты безумия: как Стивен Кинг схлестнулся с Говардом Лавкрафтом в сериале Хребты безумия: как Стивен Кинг схлестнулся с Говардом Лавкрафтом в сериале

Насколько жутким получился "Чепелуэйт" и при чем здесь Говард Лавкрафт.

Esquire
Тысяча чертей: почему француженки ненавидели мушкетеров Тысяча чертей: почему француженки ненавидели мушкетеров

Как к мушкетерам относились современники

Cosmopolitan
Как выглядят жены солистов группы «На-На»: Политова, Жеребкина и других Как выглядят жены солистов группы «На-На»: Политова, Жеребкина и других

Артисты группы «На-На» остепенились и создали семьи

VOICE
Миссия выполнима: что подарить мужчине, у которого всё есть Миссия выполнима: что подарить мужчине, у которого всё есть

Что дарить человеку, у которого все есть, если ты не можешь похвастаться тем же?

Cosmopolitan
Поезд Победы. Наука в годы Великой Отечественной войны Поезд Победы. Наука в годы Великой Отечественной войны

«Поезд Победы» – инсталляция, расположенная в передвижном составе

Популярная механика
Как улучшить метаболизм: 19 проверенных способов улучшить обмен веществ Как улучшить метаболизм: 19 проверенных способов улучшить обмен веществ

Подборка научно доказанных способов ускорить метаболизм

Playboy
Шницель Лионеля Месси Шницель Лионеля Месси

Рецепт шницеля по-аргентински, любимого блюда Лионеля Месси

Weekend
Монолог русской жены: Монолог русской жены:

Монолог русской жены. Публикуем как есть — от первого до последнего слова

Cosmopolitan
Коллекционеры марок. Сколько зарабатывали солдаты вермахта во время войны Коллекционеры марок. Сколько зарабатывали солдаты вермахта во время войны

Война войной, а зарплата — по расписанию

Maxim
Елизавета Жеребцова Елизавета Жеребцова

Елизавета Жеребцова призывает развивать парусный спорт в Петербурге

Собака.ru
Слушать тишину Слушать тишину

Ладога, Валаам, Карелия... То, что доктор прописал для измученных суетой

Лиза
Мы просто теряем деньги: почему не нужно покупать облигации Мы просто теряем деньги: почему не нужно покупать облигации

Реальное предназначение облигаций и перспективы их использования

Forbes
Флирт размера XXL: что нельзя делать на свидании с полной женщиной Флирт размера XXL: что нельзя делать на свидании с полной женщиной

Что не стоит делать на свидании с полной женщиной

Cosmopolitan
Юрий Веденеев. Баловень судьбы Юрий Веденеев. Баловень судьбы

Английская пресса вышла с заголовками «Шикарный бас из России»

Караван историй
Одна вокруг света: облачный лес, кокосы и походная кухня Одна вокруг света: облачный лес, кокосы и походная кухня

Гондурас.Несколько дней без связи в живописной лагуне Мигос

Forbes
Как животные и растения переживают зиму. Отрывок из бестселлера The New York Times Как животные и растения переживают зиму. Отрывок из бестселлера The New York Times

Зима. Секреты выживания растений и животных в самое суровое время года

СНОБ
Вечный конфуз: как отчужденность перерастает в хронический стыд Вечный конфуз: как отчужденность перерастает в хронический стыд

Отрывок из книги психотерапевта Илсе Санд «Чувство стыда»

Forbes
Моральное беспокойство страдающего Средневековья Моральное беспокойство страдающего Средневековья

Василий Степанов о новом прочтении «Легенды о Зеленом рыцаре»

Weekend
Цифровой киднеппинг: будьте осторожны, выкладывая детские фото в сеть Цифровой киднеппинг: будьте осторожны, выкладывая детские фото в сеть

Что такое цифровой киднеппинг, а главное – как от него уберечся?

Cosmopolitan
«Требуем долива!»: сотрудники офиса поссорились из-за чайника «Требуем долива!»: сотрудники офиса поссорились из-за чайника

Страсти в офисе Британии: скандал из-за чая

Psychologies
Чем Тим Кук лучше Джобса: обзор десяти лет без «революций», но с пятикратным ростом выручки Чем Тим Кук лучше Джобса: обзор десяти лет без «революций», но с пятикратным ростом выручки

К десятилетию Тима Кука во главе Apple вспоминаем его проблемы и заслуги

VC.RU
Лежать или бежать: что надо знать про тренировки во время месячных Лежать или бежать: что надо знать про тренировки во время месячных

Тренироваться во время месячных или убрать всю физическую нагрузку?

Cosmopolitan
Кто быстрее? Кто быстрее?

Быстротвердеющие наливные полы

Идеи Вашего Дома
«Смотри на любую ситуацию со знаком плюс, и у тебя все получится». Владимир Канухин о съемках в комедийном сериале «Миллионер из Балашихи» «Смотри на любую ситуацию со знаком плюс, и у тебя все получится». Владимир Канухин о съемках в комедийном сериале «Миллионер из Балашихи»

Прогулка по Балашихе с актером Владимиром Канухиным

СНОБ
Байкальская ловля нейтрино Байкальская ловля нейтрино

Новый глубоководный нейтринный телескоп на озере Байкале

Популярная механика
Открыть в приложении