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

Излучение квазара подавило звездообразование в галактике из ранней Вселенной Излучение квазара подавило звездообразование в галактике из ранней Вселенной

Молекулярный газ ранней Вселенной разрушается под действием излучения квазара

N+1
Медицина: полезно до смерти! Медицина: полезно до смерти!

Во все века медики учились на собственных ошибках

Вокруг света
Риск инфаркта оказался меньше после шунтирования желудка по сравнению с рукавной пластикой Риск инфаркта оказался меньше после шунтирования желудка по сравнению с рукавной пластикой

Риск инфаркта миокарда ниже после шунтирования желудка, чем после гастропластики

N+1
Узкое место Узкое место

От состояния шейки матки во многом зависит женское здоровье и даже жизнь

Здоровье
Дела сердечные: как современный ритм жизни влияет на риск возникновения инфаркта Дела сердечные: как современный ритм жизни влияет на риск возникновения инфаркта

Какие привычки бьют по сердцу сильнее наследственности?

Правила жизни
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
Законы муравейника: как муравьи научились оперировать абстрактными понятиями и выбирать профессию Законы муравейника: как муравьи научились оперировать абстрактными понятиями и выбирать профессию

За последние годы муравьи успели удивить ученых

Вокруг света
Девушка разделась перед камерой, потому что ей так повелел бог (фото прилагаются) Девушка разделась перед камерой, потому что ей так повелел бог (фото прилагаются)

Еще немного, и в Библии появятся более интересные картинки

Maxim
«Купила Богомолова с потрохами»: избранные моменты из скандального интервью Собчак и психолога Степановой «Купила Богомолова с потрохами»: избранные моменты из скандального интервью Собчак и психолога Степановой

Собчак: «Я сама уехала в Москву на свои деньги, которая мне мама дала»

Maxim
6 книг для геймеров, программистов и любителей комиксов 6 книг для геймеров, программистов и любителей комиксов

Возможность взглянуть на процесс создания игр изнутри

Популярная механика
Идол Тора и 13 марийских месяцев: главные археологические находки последних лет Идол Тора и 13 марийских месяцев: главные археологические находки последних лет

Самые интересные археологические находки

Forbes
Как украсить дом экологично: художница Алиса Рыжкова создает интерьерные мобили из переработанных материалов Как украсить дом экологично: художница Алиса Рыжкова создает интерьерные мобили из переработанных материалов

Алиса Рыжкова создает скульптуры с использованием переработанных материалов

Esquire
Как использовать NDA в России. Чек-лист для заказчиков и исполнителей Как использовать NDA в России. Чек-лист для заказчиков и исполнителей

Правила оформления соглашений о неразглашении конфиденциальной информации (NDA)

Inc.
На границе двух миров На границе двух миров

Порой они кажутся стражами, охраняющими прибрежную полоску песка

Наука и жизнь
Откровенные фото и вещие сны: 5 историй о разоблачении изменщиков Откровенные фото и вещие сны: 5 историй о разоблачении изменщиков

Делимся историями о том, как люди узнают об изменах своих любимых

Psychologies
Гороскоп отношений: как он создается и на что нужно обращать внимание Гороскоп отношений: как он создается и на что нужно обращать внимание

Почему общий гороскоп личной жизни не работает

Cosmopolitan
Олимпиада на авось Олимпиада на авось

Разгром сборной царской России в V Олимпийских играх

Вокруг света
Настаиваем на стойкости Настаиваем на стойкости

Истории людей, которые знакомы со сложными жизненными обстоятельствами

Men’s Health
Экологический переворот: как «зеленая повестка» влияет на экономику Экологический переворот: как «зеленая повестка» влияет на экономику

Сегодня «зеленая повестка» — мировой тренд

Forbes
Система ценностей Система ценностей

Почему так сложно быть довольными собой?

Psychologies
Эволюция, отношения с мамой и Зигмунд Фрейд: как мы выбираем «вторую половинку»? Эволюция, отношения с мамой и Зигмунд Фрейд: как мы выбираем «вторую половинку»?

Мы выбираем – нас выбирают...

Playboy
Не ем булки и толстею: 7 неожиданных причин набора веса Не ем булки и толстею: 7 неожиданных причин набора веса

В чем же может быть причина резкого набора веса?

Cosmopolitan
Авто, жилье, дети: на что тратит деньги Моргенштерн Авто, жилье, дети: на что тратит деньги Моргенштерн

На днях 23-летний рэпер попал в рейтинг Forbes «50 самых успешных звезд России»

РБК
Recycle Recycle

Авторы выставки Recycle Group в «Манеже» — о соавторстве с ИИ и новой природе

Собака.ru
Тысяча и одна тарелка: Алхимик Аведис искал золото для себя, а нашел его для всех музыкантов мира Тысяча и одна тарелка: Алхимик Аведис искал золото для себя, а нашел его для всех музыкантов мира

Секрет изготовления музыкальных тарелок

Популярная механика
Британская аудиторская компания Ernst & Young начала общаться с клиентами через дипфейки сотрудников Британская аудиторская компания Ernst & Young начала общаться с клиентами через дипфейки сотрудников

Как из 40-минутного видео сделать виртуальную копию человека?

VC.RU
Охрана существующих заповедников поможет хищным птицам лучше создания новых Охрана существующих заповедников поможет хищным птицам лучше создания новых

Чтобы сохранить исчезающие виды птиц, необходимо охранять заповедники

N+1
Победа над собой Победа над собой

Изображая на холсте героев праздничной битвы, Василий Суриков победил депрессию

Вокруг света
«Я защищала ее»: как живут особенные сестры Водяновой, Сотниковой и других звезд «Я защищала ее»: как живут особенные сестры Водяновой, Сотниковой и других звезд

Звезды, которые помогают своим особенным родственникам

Cosmopolitan
Приведи грудь в форму: можно ли подтянуть бюст упражнениями и как это сделать? Приведи грудь в форму: можно ли подтянуть бюст упражнениями и как это сделать?

Тренер делится своими секретами по сохранению красивой груди

Cosmopolitan
Открыть в приложении