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

Самец краснолицего гульмана вторгся в чужую группу и убил несколько детенышей Самец краснолицего гульмана вторгся в чужую группу и убил несколько детенышей

Почему самцы приматов бывают жестокими по отношению к чужим детенышам?

N+1
20 самых интересных фильмов о войне в Афганистане 20 самых интересных фильмов о войне в Афганистане

20 кинокартин про бесконечную войну в Афганистане

Maxim
В Хорватии нашли захоронение «вампира» В Хорватии нашли захоронение «вампира»

Чем отличаются девиантные захоронения «вампиров»?

N+1
Свадьбы, которых не было: за кого должны были выйти замуж дочери Николая II Свадьбы, которых не было: за кого должны были выйти замуж дочери Николая II

Ни одна из дочерей Николая II замуж не вышла. Что же стало тому причиной?

Cosmopolitan
Новое открытие в нейробиологии: ученые разобрались, как на самом деле работает память Новое открытие в нейробиологии: ученые разобрались, как на самом деле работает память

Какой процесс играет ключевую роль в том, как хранятся воспоминания?

Inc.
Автомобили будущего можно будет оснащать онлайн Автомобили будущего можно будет оснащать онлайн

Будущее автопрома — разово или по подписке установка любых функций после покупки

Популярная механика
Олимпиада на авось Олимпиада на авось

Разгром сборной царской России в V Олимпийских играх

Вокруг света
5 главных русских злодеев из американских фильмов 5 главных русских злодеев из американских фильмов

Американцы составили рейтинг «страшных русских», которые были показаны в кино

Maxim
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
Не думай о секундах свысока: 7 увлекательных книг о разведчиках Не думай о секундах свысока: 7 увлекательных книг о разведчиках

Книги о тех, чьи имена, как правило, остаются неизвестны

Вокруг света
История рекламы в России История рекламы в России

Как появилась реклама в России

Культура.РФ
Истребление профессий: как новая промышленная революция может изменить общество Истребление профессий: как новая промышленная революция может изменить общество

Внедрение роботов может привести к массовому сокращению рабочих мест

Forbes
Дрессировка кошек Шрёдингера в промышленных масштабах Дрессировка кошек Шрёдингера в промышленных масштабах

Явление сверхпроводимости было открыто больше ста лет назад

Наука и жизнь
Конкуренты окрошки: 5 холодных супов из Азии, Америки и Африки Конкуренты окрошки: 5 холодных супов из Азии, Америки и Африки

Холодные супы в жаркое время года готовят в Индии, Корее, США и других странах

Вокруг света
Какие продукты снижают кровяное давление: список, рекомендованный кардиологами Какие продукты снижают кровяное давление: список, рекомендованный кардиологами

Подборка полезных для сердца продуктов, которые стоит включить в рацион

Playboy
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
Мальчик вырос. Почему Криштиану Роналду решил вернуться в «Манчестер Юнайтед»? Колонка Esquire Мальчик вырос. Почему Криштиану Роналду решил вернуться в «Манчестер Юнайтед»? Колонка Esquire

Зачем Криштиану Роналду возвращается в команду, которая сделала его звездой

Esquire
Дикие дворники. Самые странные конструкции стеклоочистителей Дикие дворники. Самые странные конструкции стеклоочистителей

Есть такая профессия — стекла очищать

Maxim
Надо ли космическим туристам заниматься спортом в полете Надо ли космическим туристам заниматься спортом в полете

Могут ли космические путешествия навредить здоровью туристов?

Популярная механика
8 анализов, которые надо сдать, если не получается похудеть 8 анализов, которые надо сдать, если не получается похудеть

Что надо проверить, если ты не худеешь, несмотря на то, что очень стараешься

Cosmopolitan
Барон апельсин и его родня Барон апельсин и его родня

Более трети всех собираемых на Земле фруктов — цитрусовые

Вокруг света
Звезда по имени Солнце: 9 мифов о Викторе Цое Звезда по имени Солнце: 9 мифов о Викторе Цое

Разоблачение мифов о рок-музыканте, звезде и голосе поколения Викторе Цое

Вокруг света
Поздние роды Поздние роды

Как выносить и родить здорового малыша, если будущей маме сорок с хвостиком?

Лиза
В чем польза безделья? В чем польза безделья?

Почему бездельничать — это хорошо и как делать это с максимальной пользой

Psychologies
Как настольная игра «Монополия» вызволила из плена тысячи солдат во время Второй мировой войны Как настольная игра «Монополия» вызволила из плена тысячи солдат во время Второй мировой войны

Как спасти военнопленных во время Второй мировой войны?

Популярная механика
Рыжие-бесстыжие: огненные красавицы в главной роли Рыжие-бесстыжие: огненные красавицы в главной роли

Фильмы, где главные роли сыграли рыжие актрисы

Cosmopolitan
Секреты похудения Волковой, Александровой, Ковальчук и других звезд сериалов Секреты похудения Волковой, Александровой, Ковальчук и других звезд сериалов

Российские актрисы демонстрируют стройные и подтянутые фигуры в кадре

Cosmopolitan
5 ошибок Романа Кумара Виаса, сооснователя Qmarketing Academy и агентства Qmarketing 5 ошибок Романа Кумара Виаса, сооснователя Qmarketing Academy и агентства Qmarketing

Выгореть, потерять десятки миллионов и наделать много ошибок

Inc.
Следствие вели: громкие происшествия с участием животных-людоедов Следствие вели: громкие происшествия с участием животных-людоедов

Человек чувствует себя хозяином на Земле, пока не встретится с хищником

Вокруг света
Брюс Уиллис и Мила Йовович: какие мировые звезды снимались в российской рекламе Брюс Уиллис и Мила Йовович: какие мировые звезды снимались в российской рекламе

Брюс Уиллис сыграл спецагента в новом рекламном ролике «МегаФона»

Forbes
Открыть в приложении