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

«Кто придумал землю? Путеводитель по геофилософии от Делёза и Деррида до Агамбена и Латура» «Кто придумал землю? Путеводитель по геофилософии от Делёза и Деррида до Агамбена и Латура»

Правильно ли противопоставлять природу и культуру

N+1
Токсичная подруга: 6 типов девушек, от которых тебе стоит держаться подальше Токсичная подруга: 6 типов девушек, от которых тебе стоит держаться подальше

Есть нюанс: некоторые женщины с тобой вовсе не дружат. Они тобой манипулируют

Cosmopolitan
Музыкальное образование может снизить возрастные когнитивные изменения Музыкальное образование может снизить возрастные когнитивные изменения

Как обучение музыке защищает мозг от одной из распространенных проблем старения

ТехИнсайдер
Что с собой делает Меланья Трамп и сколько это стоит Что с собой делает Меланья Трамп и сколько это стоит

Сколько стоит красота бывшей первой леди США?

Cosmopolitan
Все мы не молодеем: 5 тестов для оценки скорости старения Все мы не молодеем: 5 тестов для оценки скорости старения

Простые тесты, которые помогут понять, насколько вы справляетесь со старением

ТехИнсайдер
Как Луна усугубит климатические изменения на Земле Как Луна усугубит климатические изменения на Земле

Тысячи лет люди наблюдают за спутником Земли в надежде узнать погоду быстрее МЧС

Популярная механика
«Меня не учили скрещивать ноги»: Меган Маркл пожаловалась на королевскую семью «Меня не учили скрещивать ноги»: Меган Маркл пожаловалась на королевскую семью

Меган Маркл столкнулась с проблемами после того, как вошла в королевскую семью

Cosmopolitan
Золото бунта: как экс-менеджер Фридмана и Абрамовича управляет компанией Petropavlovsk Золото бунта: как экс-менеджер Фридмана и Абрамовича управляет компанией Petropavlovsk

Основатель компании в СИЗО, производство падает, а конфликт далек от завершения

Forbes
Строители невидимых путей Строители невидимых путей

Как устроен морской порт

Популярная механика
Сахар 0 калорий Сахар 0 калорий

Эритрит – совсем как сахар, только содержит 0 калорий

Худеем правильно
Ян Гэ: «Я хочу, чтобы всё было в радость!» Ян Гэ: «Я хочу, чтобы всё было в радость!»

Актриса поговорила с Cosmo о любви – к маме, бойфренду, профессии и Брэду Питту

Cosmopolitan
Как стать бортпроводником: стюард рассказывает о нюансах своей профессии Как стать бортпроводником: стюард рассказывает о нюансах своей профессии

Интервью с бортпроводником одной из отечественных пассажирских авиакомпаний

Playboy
Банк глазами клиента: как CX-трансформация меняет взаимодействие с людьми Банк глазами клиента: как CX-трансформация меняет взаимодействие с людьми

Хороший клиентский опыт и как создать долгосрочные отношения с клиентами

Inc.
Где стоит единственная в России церковь на драконах Где стоит единственная в России церковь на драконах

Может ли на драконах стоять православный храм?

Вокруг света
Когнитивные карты помогли ревунам сориентироваться на местности Когнитивные карты помогли ревунам сориентироваться на местности

Как ревуны ориентируются на местности?

N+1
Глафира Тарханова: «Меня сложно усадить дома» Глафира Тарханова: «Меня сложно усадить дома»

Глафира Тарханова рассказала о психологии, смелых решениях и минутах слабости

Здоровье
«Мы мечтаем, что наши изделия будут в музеях». Создательницы бренда аксессуаров LikeanArt — о внутренней работе проекта «Мы мечтаем, что наши изделия будут в музеях». Создательницы бренда аксессуаров LikeanArt — о внутренней работе проекта

Вера Степыгина — о новом российском бренде c английским названием

СНОБ
Стальная жуть: самые уродливые танки Второй мировой Стальная жуть: самые уродливые танки Второй мировой

Такое серьезное оружие, как танк, может вызывать взрывы гомерического хохота

Maxim
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
Акне, жирный блеск, расширенные поры: как правильно ухаживать за кожей лица Акне, жирный блеск, расширенные поры: как правильно ухаживать за кожей лица

Наш эксперт помогает решить самые актуальные проблемы с кожей лица

Cosmopolitan
Дэвид Харбор Дэвид Харбор

Красный Страж из «Черной вдовы» Дэвид Харбор о пончиках и Марксе

Maxim
Сотрудники гадали, кого Маск «сожрёт» перед совещанием: детали работы в Tesla из новой книги о ней Сотрудники гадали, кого Маск «сожрёт» перед совещанием: детали работы в Tesla из новой книги о ней

Детали работы в Tesla

VC.RU
Без моста и кочерги. Пятое поколение Cadillac Escalade Без моста и кочерги. Пятое поколение Cadillac Escalade

Новое поколение Cadillac Escalade разрушает штампы об американских внедорожниках

4x4 Club
Фредерика де Грааф Фредерика де Грааф

Фредерика де Грааф в выступлениях обращается к темам смерти и страдания

Esquire
«…Страдающему от голода и болезней народу России» «…Страдающему от голода и болезней народу России»

Иностранная помощь голодающим в Поволжье в 1921–1923 годах

Дилетант
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
5 девайсов, которые не дадут тебе уснуть во время ночной поездки 5 девайсов, которые не дадут тебе уснуть во время ночной поездки

Не спим!

Playboy
Илья Толстой — о яблонях, помнящих Льва Николаевича, и увлеченности Илья Толстой — о яблонях, помнящих Льва Николаевича, и увлеченности

Илья Толстой о независимости и ее цене, усадьбе из детства и роли семьи

РБК
Трудности переводчика: как толковать шутки политиков и доносить Слово Божие Трудности переводчика: как толковать шутки политиков и доносить Слово Божие

Книга Анны Асланян о том, как неверно переведенное слово влияло на ход истории

Forbes
Ангельская нумерология: что означают повторяющиеся числа? Ангельская нумерология: что означают повторяющиеся числа?

Ты смотришь на часы и часто “попадаешь” на время, вроде 10:10? Может, это знак?

Cosmopolitan
Открыть в приложении