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

Мезозойские млекопитающие и их родственники оказались обладателями однотонного темно-коричневого меха Мезозойские млекопитающие и их родственники оказались обладателями однотонного темно-коричневого меха

Палеонтологи реконструировали окраску шести маммалиаформов

N+1
Дойти до края Дойти до края

10 вещей, которые нужно сделать во Владивостоке

Лиза
«Мамонты следующие»: Colossal Biosciences вернула к жизни вымерших 10 тысяч лет назад лютоволков «Мамонты следующие»: Colossal Biosciences вернула к жизни вымерших 10 тысяч лет назад лютоволков

Как ученым Colossal Biosciences удалось произвести на свет щенков лютоволка

VC.RU
Секреты похудения Куликовой, Порошиной и других актрис сериала «Склифосовский» Секреты похудения Куликовой, Порошиной и других актрис сериала «Склифосовский»

Что помогает звездам сериала «Склифосовский» держать себя в тонусе

Cosmopolitan
Ученые говорят, что наши мышцы стареют не так быстро, как нам кажется Ученые говорят, что наши мышцы стареют не так быстро, как нам кажется

У пожилых людей мышечные повреждения после спортивных нагрузок не так серьезны

ТехИнсайдер
Археологи нашли различия в использовании керамики древними охотниками-собирателями Археологи нашли различия в использовании керамики древними охотниками-собирателями

Древние люди по-разному использовали керамику

N+1
Русские корни, Алекс и альтер эго: 7 фактов о Леосе Караксе Русские корни, Алекс и альтер эго: 7 фактов о Леосе Караксе

Интересные факты из жизни французского киногения Леоса Каракса

РБК
Как выглядят на пляже ведущая и судьи шоу «Танцы»: Утяшева, Пелагея и другие Как выглядят на пляже ведущая и судьи шоу «Танцы»: Утяшева, Пелагея и другие

Судьи шоу «Танцы» готовы побороться за звание королевы пляжного сезона

Cosmopolitan
Радислав Гандапас Радислав Гандапас

Лекции-тренинги Гандапаса – как рок-концерты

Esquire
Серебро и деготь: 10 лайфхаков знаменитых путешественников Серебро и деготь: 10 лайфхаков знаменитых путешественников

Трэвэл-лайфхаки во времена, когда вместо джипов были верблюды

Вокруг света
Помогает блогерам запускать курсы и зарабатывает от 500 тысяч рублей в месяц: как устроена работа продюсера соцсетей Помогает блогерам запускать курсы и зарабатывает от 500 тысяч рублей в месяц: как устроена работа продюсера соцсетей

Что делает продюсер соцсетей

VC.RU
Где можно работать студенту без опыта: 13 вариантов добычи денег во время учебы Где можно работать студенту без опыта: 13 вариантов добычи денег во время учебы

Оптимальные способы подработки для студентов университетов и институтов

Playboy
Детка в клетке Детка в клетке

Итальянский дизайнер Самуэле Мацца уже год живет за решеткой по своему желанию

AD
«Сто минут из жизни Ивана Денисовича»: большое кино по маленькой повести «Сто минут из жизни Ивана Денисовича»: большое кино по маленькой повести

Премьера нового фильма Глеба Панфилова «Сто минут из жизни Ивана Денисовича»

СНОБ
Амурская Калифорния: краткая история непризнанной республики Амурская Калифорния: краткая история непризнанной республики

Что будет, если в одном месте соберутся уголовники и авантюристы всех мастей?

Вокруг света
Королева сарказма Королева сарказма

27 августа исполняется 125 лет со дня рождения Фаины Раневской

Лиза
Зеленый конвейер Зеленый конвейер

Основатель производителя электрокаров Arrival возглавил рейтинг Forbes

Forbes
Они настоящие! Фильмы про маньяков, основанные на реальных событиях Они настоящие! Фильмы про маньяков, основанные на реальных событиях

Жизнь иногда подкидывает такие сюжеты, которые не придумает и сценарист

Cosmopolitan
Зачем вся эта музыка, когда есть я? Зачем вся эта музыка, когда есть я?

Изменить свою жизнь и преодолеть свои страхи. Все это у Mary Gu уже получилось

Glamour
Наличные отношения Наличные отношения

Блогеры рассказывают аудитории все — кроме того, на что тратят свои миллионы

Tatler
Не замужем — плати: как Гитлер сделал семью оружием Третьего рейха Не замужем — плати: как Гитлер сделал семью оружием Третьего рейха

Гитлер сумел убедить в важности брака всю страну, но ради чего?

Cosmopolitan
Кому это понравится? Кому это понравится?

Андрей Подшибякин о музыкальных вкусах разных поколений

GQ
Сергей Шойгу: Неприлично не знать собственную страну Сергей Шойгу: Неприлично не знать собственную страну

Сергей Шойгу — об особенностях сибирской охоты и России

Вокруг света
7 аудиокниг, основанных на важных исторических событиях 7 аудиокниг, основанных на важных исторических событиях

Подборка документальных произведений о значимых исторических событиях

Популярная механика
Самки колибри-якобинов притворились самцами и избежали конфликтов за пищу Самки колибри-якобинов притворились самцами и избежали конфликтов за пищу

В общей сложности такой же окраской, как у самцов, обладают около 30% колибри

N+1
Тюрьма обетованная Тюрьма обетованная

Василий Корецкий о возвращении панк-боевика Джона Карпентера на большой экран

Weekend
Блог всемогущий Блог всемогущий

TikTok остается одним из самых скачиваемых приложений в мире

Cosmopolitan
Передумали: Кэмпбелл, Диаз и еще 6 чайлдфри-звезд, неожиданно ставших родителями Передумали: Кэмпбелл, Диаз и еще 6 чайлдфри-звезд, неожиданно ставших родителями

Каждый из них… неожиданно для всех стал родителем

Cosmopolitan
Запутались в шлейфе: звезды, которых подвели слишком длинные платья Запутались в шлейфе: звезды, которых подвели слишком длинные платья

Знаменитые красотки, чьи выходы в платьях со шлейфом оказались неудачными

Cosmopolitan
Как перестать винить себя в том, что вы постоянно тратите деньги Как перестать винить себя в том, что вы постоянно тратите деньги

Тратить надо со спокойной душой – и никак иначе

GQ
Открыть в приложении