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

Биологи прочитали геном вымерших японских морских львов Биологи прочитали геном вымерших японских морских львов

Генетики проанализировали ДНК вымерших японских морских львов

N+1
Почему звезды бросают веганство и не делают из этого трагедии Почему звезды бросают веганство и не делают из этого трагедии

Звезды корректируют вегетарианскую диету

РБК
На кроманьонской стоянке в Кракове насчитали остатки как минимум 113 мамонтов На кроманьонской стоянке в Кракове насчитали остатки как минимум 113 мамонтов

Ученые проанализировали останки животных из граветтийского Краков-Спадзиста

N+1
А кто такая Элис? А кто такая Элис?

Алисе Брострем всего лишь 14 лет, а она уже успешная модель и блогер

Cosmopolitan
Sapiens Sapiens

Краткая история человечества

kiozk originals
6 признаков, что ваш партнер не готов к серьезным отношениям 6 признаков, что ваш партнер не готов к серьезным отношениям

Как вовремя понять, что человек рядом не видит с вами совместного будущего?

Psychologies
Ужин из простых продуктов на скорую руку: 8 сытных и вкусных идей Ужин из простых продуктов на скорую руку: 8 сытных и вкусных идей

Подборка идей для ужина, которые не потребуют много времени и сил для готовки

Playboy
Как Figma стала самым востребованным стартапом в области дизайна Как Figma стала самым востребованным стартапом в области дизайна

Figma станет для дизайна тем же, чем Google Docs стал для работы с текстом

Forbes
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
Герои фильмов, с которыми мы бы хотели провести лето Герои фильмов, с которыми мы бы хотели провести лето

Киногерои, которые всегда знают, как провести время с огоньком

Playboy
Спасибо, следующий! Спасибо, следующий!

7 типов мужчин, которые тебе не подходят и почему

Лиза
Почему мы так говорим: «газетная утка» Почему мы так говорим: «газетная утка»

Газетные утки – куда отвратительней медицинских. Отчего их так прозвали

Maxim
5 необычных научно-популярных книг, которые вы могли пропустить. А зря! 5 необычных научно-популярных книг, которые вы могли пропустить. А зря!

Подборка из пяти необычных научно-популярных книг

Популярная механика
3D-экран, парковка без водителя за рулём и AR-навигация 3D-экран, парковка без водителя за рулём и AR-навигация

Тест-драйв нового Genesis G80

VC.RU
Северные олени оказались главной добычей древних охотников Афонтовой горы Северные олени оказались главной добычей древних охотников Афонтовой горы

Археологи проанализировали фаунистические материалы со стоянки Крутая

N+1
5 фактов о теле человека, которые наука не может объяснить 5 фактов о теле человека, которые наука не может объяснить

Подергивания во сне, леворукость и отпечатки пальцев — зачем нам все это?

Maxim
В MIT разработали нейропротез, который воспроизводит тактильные ощущения В MIT разработали нейропротез, который воспроизводит тактильные ощущения

Протез, который может частично восстановить тактильные ощущения

Inc.
Стоп-фразы в отношениях: что нельзя говорить, если мы хотим жить долго и счастливо Стоп-фразы в отношениях: что нельзя говорить, если мы хотим жить долго и счастливо

Три вида стоп-фраз, которые не стоит произносить в отношениях никогда

Psychologies
Выживает слабый: как Чарлз Дарвин опровергал свою же теорию Выживает слабый: как Чарлз Дарвин опровергал свою же теорию

190 лет назад великий ученый Чарлз Дарвин поднялся на борт корабля «Бигль»

Вокруг света
13 полезных советов для выживания в офисе в картинках 13 полезных советов для выживания в офисе в картинках

Житейской мудростью мы попросили поделиться героя популярного комикса

Maxim
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
Маскианские хроники Маскианские хроники

Все о нашей грядущей (или не грядущей) экспедиции на Красную планету

Maxim
Юлия Пересильд: «Одиночество – мой ресурс» Юлия Пересильд: «Одиночество – мой ресурс»

Юлия Пересильд прошла по красной дорожке в Каннах, а теперь собирается в космос

Psychologies
Звезды, которых ты никогда не видела с натуральным цветом волос - а жаль... Звезды, которых ты никогда не видела с натуральным цветом волос - а жаль...

Эти звезды практически никогда не появлялись на публике в натуральном виде

Cosmopolitan
Делаем запасы Делаем запасы

Рейтинг самых полезных заголовок на зиму

Лиза
7 привычек, которые мешают нам добиваться большего 7 привычек, которые мешают нам добиваться большего

Расстаться с этими привычками сложно, ведь они приносят нам удовольствие

Psychologies
Водителям начали поступать странные звонки. Что они означают Водителям начали поступать странные звонки. Что они означают

Проезжающим без оплаты по ЦКАД водителям начали поступать звонки от «Автодора»

РБК
«Титаник» здорового человека: история гибели лайнера почти со счастливым концом «Титаник» здорового человека: история гибели лайнера почти со счастливым концом

Удачное стечение обстоятельств позволило избежать жертв при кораблекрушении

Вокруг света
Как говорить с детьми о людях с особенностями здоровья Как говорить с детьми о людях с особенностями здоровья

Как говорить с ребенком о болезнях и сложных состояниях?

Psychologies
«Я раздавлена»: умерла от рака звезда сериала «Клиника» Марки Пост «Я раздавлена»: умерла от рака звезда сериала «Клиника» Марки Пост

70-летняя Марки Пост (Markie Post) скончалась в США

Cosmopolitan
Открыть в приложении