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

Неандертальцы наследили на португальских пляжах Неандертальцы наследили на португальских пляжах

Археологи обнаружили на португальском побережье отпечатки ног неандертальцев

N+1
Как определить размер перчаток – подробная инструкция по выбору идеальной пары Как определить размер перчаток – подробная инструкция по выбору идеальной пары

Как правильно измерить руку и выбрать верный размер перчаток

Cosmopolitan
Палеогенетики уточили популяционную историю Таримской впадины Палеогенетики уточили популяционную историю Таримской впадины

Как ученые анализировали геномы древних людей из Таримской впадины

N+1
Гороскоп совместимости: 6 способов определить, подходите ли вы друг другу Гороскоп совместимости: 6 способов определить, подходите ли вы друг другу

Астрология - один из способов выяснить, действительно ли он - тот самый

Cosmopolitan
Вечная молодость: 7 легендарных внедорожников, которые выпускались более 20 лет Вечная молодость: 7 легендарных внедорожников, которые выпускались более 20 лет

Автотитаны, которые десятилетиями остаются на конвейере

4x4 Club
От «Часа пик» до «Типа крутых легавых»: лучшие комедийные боевики всех времен От «Часа пик» до «Типа крутых легавых»: лучшие комедийные боевики всех времен

Подборка культовых картин в жанре комедийный боевик

Playboy
Историки выяснили дату рождения Бориса Годунова Историки выяснили дату рождения Бориса Годунова

Ученые выяснили дату рождения царя Бориса Годунова

N+1
Белье в холодильнике и рис в носках: 6 способов (местами странных) заснуть в жару Белье в холодильнике и рис в носках: 6 способов (местами странных) заснуть в жару

На что только не приходится идти, чтобы как следует выспаться!

Maxim
Доставляй, но проверяй: как умный эквайринг спас доставку фермерских продуктов Доставляй, но проверяй: как умный эквайринг спас доставку фермерских продуктов

Разбираем пример торгового эквайринга от «Тинькофф Бизнеса»

Forbes
Дмитрий Быков Дмитрий Быков

Изобилие лекций Быкова соразмерно Быкову во всех ипостасях

Esquire
Самый мрачный год в истории Лондона XX века. Глава книги «Страх и Надежда: как Черчилль спас Британию от катастрофы» Самый мрачный год в истории Лондона XX века. Глава книги «Страх и Надежда: как Черчилль спас Британию от катастрофы»

Отрывок из книги «Страх и Надежда: как Черчилль спас Британию от катастрофы»

Esquire
Как правильно красить глаза тенями: 7 советов для безупречного макияжа Как правильно красить глаза тенями: 7 советов для безупречного макияжа

Как с помощью теней сделать идеальный макияж?

Cosmopolitan
Хроники азиатской столицы: как финский журналист уехал с семьей в Сибирь Хроники азиатской столицы: как финский журналист уехал с семьей в Сибирь

Отрывок из книги Юсси Конттинена «Сибирь научит»

Forbes
Чаевые за дольче виту: зачем итальянские деревни выплачивают новым жителям €700 000 Чаевые за дольче виту: зачем итальянские деревни выплачивают новым жителям €700 000

На каких условиях и куда можно уехать?

Forbes

Каково это — жить с ощущением постоянной тьмы вокруг

Esquire
Найдены связанные с возрастом наступления менопаузы генетические варианты Найдены связанные с возрастом наступления менопаузы генетические варианты

Ученые обнаружили 290 мутаций, связанных со временем наступления менопаузы

N+1
Шаровая молния: правда или вымысел Шаровая молния: правда или вымысел

Что такое шаровая молния?

Playboy
Секс на твоей территории: 6 нюансов, о которых стоит подумать заранее Секс на твоей территории: 6 нюансов, о которых стоит подумать заранее

Собираешься пригласить девушку к себе? Несколько советов, как подготовиться

Playboy
«Хочу на ручки»: почему партнер не должен играть роль родителя «Хочу на ручки»: почему партнер не должен играть роль родителя

Недолюбленные дети становятся самыми требовательными партнерами

Psychologies
Подвижные магнитные квазимонополи предложили искать при комнатной температуре Подвижные магнитные квазимонополи предложили искать при комнатной температуре

Открыта среда, в которой возможно распространение магнитных квазимонополей

N+1
Космический сигнал: зачем делать сервер на орбите и как это изменит мир Космический сигнал: зачем делать сервер на орбите и как это изменит мир

Любая индустрия рано или поздно приведет вас в космос

Популярная механика
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
15 вещей, которые не стоит говорить на собеседовании 15 вещей, которые не стоит говорить на собеседовании

Что нужно для того, чтобы получить работу мечты? Главное – не ляпнуть лишнего

Psychologies
Купаться разрешается! История женской пляжной моды в 10 фактах о купальниках Купаться разрешается! История женской пляжной моды в 10 фактах о купальниках

10 фактов о купальных костюмах: от самых консервативных до соблазнительных

Вокруг света
Почему гречишный чай полезен для здоровья и как его заваривать Почему гречишный чай полезен для здоровья и как его заваривать

Почему гречишный чай — это не та самая гречка, как его заваривать и в чем польза

РБК
Елена Качаева. Ватная игрушка: любовь к ней вдохнула новую жизнь в деревню Елена Качаева. Ватная игрушка: любовь к ней вдохнула новую жизнь в деревню

Однажды семья кукольников решила развлечь местных детей мастер-классом...

Домашний Очаг
8 признаков того, что вы хороши в любви 8 признаков того, что вы хороши в любви

Как вы думаете, партнеру с вами повезло?

Psychologies
Французские археологи обнаружили богатый клад урнопольской культуры Французские археологи обнаружили богатый клад урнопольской культуры

Бронзовые артефакты урнопольской культуры относятся к 800 году до нашей эры

N+1
Зачем крошечные птицы нагло воруют мех у хищников Зачем крошечные птицы нагло воруют мех у хищников

Маленькие птицы не боятся воровать клочки меха для своих гнезд у хищников

Популярная механика
Бенефициары путча: почему август 1991-го привел к победе бездарных политиков Бенефициары путча: почему август 1991-го привел к победе бездарных политиков

Если бы главы союзных республик хотели, они бы сохранили единое государство

Forbes
Открыть в приложении