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

Неустойчивость Рэлея — Плато заставила квантовую жидкость разделиться на капли Неустойчивость Рэлея — Плато заставила квантовую жидкость разделиться на капли

Физики увидели, как квантовая жидкость разделилась на несколько отдельных капель

N+1
7 мифов о клещах, которые сбивают вас с толку 7 мифов о клещах, которые сбивают вас с толку

Мало кто знает, что разгар сезона клещей случается не только весной, но и осенью

Популярная механика
Выцарапанное на Золотых воротах изображение назвали тамгой Андрея Боголюбского Выцарапанное на Золотых воротах изображение назвали тамгой Андрея Боголюбского

Что означает тамга, обнаруженная во Владимире на Золотых воротах

N+1
5 музыкальных клипов, снятых великими режиссерами 5 музыкальных клипов, снятых великими режиссерами

Клипы, где режиссеры создали отдельное кинопроизведение в дополнение к музыке

GQ
«Если это не любовь, то что?»: созависимость в отношениях «Если это не любовь, то что?»: созависимость в отношениях

Почему мы выбираем холодных партнеров? Как отличить любовь от созависимости?

Psychologies
“Легенда о Зеленом рыцаре” — кинопоэма о доблести и долге, сумевшая осовременить средневековый сюжет “Легенда о Зеленом рыцаре” — кинопоэма о доблести и долге, сумевшая осовременить средневековый сюжет

“Легенда о Зеленом рыцаре” Дэвида Лоури — завораживающий роман воспитания

Esquire
«Жена меня обижает»: что не так с жалобами мужчин на домашнее насилие «Жена меня обижает»: что не так с жалобами мужчин на домашнее насилие

Что не так с освещением в СМИ случаев домашнего насилия над мужчинами

Cosmopolitan
Экологический переворот Экологический переворот

Понять, принять и посчитать. Экология — это навсегда

Forbes
Невидимая: почему Виктория Брежнева не хотела быть первой леди Невидимая: почему Виктория Брежнева не хотела быть первой леди

Почему Виктория Брежнева хотела быть невидимкой, а не образцом для подражания?

Cosmopolitan
Все песни только о любви Все песни только о любви

Роман и Юлия Емельяновы уверены в том, что жизнь свела их неслучайно

OK!
Не бык. Представлен возрожденный Lamborghini Countach Не бык. Представлен возрожденный Lamborghini Countach

Реинкарнированный «Кунташ» — точно не бык

Maxim
Как стать новым боссом бывших коллег: 2 фундаментальных подхода Как стать новым боссом бывших коллег: 2 фундаментальных подхода

Как завоевать расположение коллег, получив повышение

VC.RU
Денег нет и не будет? Денег нет и не будет?

Какие ошибки восприятия действительности мешают нам увеличить свой доход

Лиза
6 не сухих фактов о фильме «На гребне волны» 6 не сухих фактов о фильме «На гребне волны»

Ровно 30 лет, летом 1991 года, вышел самый первый боевик с Киану Ривзом!

Maxim
Лучшие пляжные фото звезд фильма «Родные»: Пеговой, Монеточки и других Лучшие пляжные фото звезд фильма «Родные»: Пеговой, Монеточки и других

Актрисы семейной комедии воплотили запоминающиеся образы русских женщин

Cosmopolitan
Майкл Фарадей: самоучка, первооткрыватель и гений саморазрушения Майкл Фарадей: самоучка, первооткрыватель и гений саморазрушения

Как трудоголизм и преданность делу погубили великого физика

Вокруг света
«Муж ее любил»: вдова Алексея Балабанова о его чувствах к Ренате Литвиновой «Муж ее любил»: вдова Алексея Балабанова о его чувствах к Ренате Литвиновой

Вдова Алексея Балабанова рассказала о его отношениях с Ренатой Литвиновой

Cosmopolitan
Ульяна Ульяна

К своим двадцати годам Ульяна Добровская добилась многого

Собака.ru
Решила изменить цвет глаз и чуть не ослепла: операция закончилась провалом Решила изменить цвет глаз и чуть не ослепла: операция закончилась провалом

Можно ли изменить цвет глаз?

Cosmopolitan
От Ким Кардашьян до Скулкиной: как звезды быстро худеют с помощью криолиполиза От Ким Кардашьян до Скулкиной: как звезды быстро худеют с помощью криолиполиза

Звезды ходят на процедуры заморозки жира. И очень довольны эффектом

Cosmopolitan
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
Правила жизни Кейси Аффлека Правила жизни Кейси Аффлека

Кейси Аффлек: Иногда я изо всех сил хочу забыть свое детство

Esquire
Идти мириться — не годится: что говорит о мужчине его поведение после ссоры Идти мириться — не годится: что говорит о мужчине его поведение после ссоры

Ты можешь многое узнать о своем партнере по тому, как он ведет себя после ссоры

Cosmopolitan
От «Лапочки» до «Супер Майка»: лучшие фильмы про танцы, чтобы посмотреть с девушкой или в одиночку От «Лапочки» до «Супер Майка»: лучшие фильмы про танцы, чтобы посмотреть с девушкой или в одиночку

Подборка самых выдающихся картин про танцоров и танцы

Playboy
Как побеждать треть века и вернуть чемпионский титул в пятьдесят: время, точность и напор Михаила Ботвинника Как побеждать треть века и вернуть чемпионский титул в пятьдесят: время, точность и напор Михаила Ботвинника

Как гроссмейстер Михаил Ботвинник удерживал титул долгие десятилетия

Esquire
Звездные российские актрисы, которые выглядят намного моложе своих лет Звездные российские актрисы, которые выглядят намного моложе своих лет

Время будто остановилось для этих красавиц. Бьюти-секреты звезд

Cosmopolitan
«Никогда не занимайся этим по утрам!» и другие советы из самого древнего руководства по сексу «Никогда не занимайся этим по утрам!» и другие советы из самого древнего руководства по сексу

Эта книга на 500 лет старше хваленой «Камасутры»

Maxim
Монстры на каникулах: каким получился сериал Монстры на каникулах: каким получился сериал

Мини-сериал «Белый лотос» про каникулы богачей в роскошном гавайском отеле

Esquire
В Турции обнаружили древний барельеф времен греко-персидских войн В Турции обнаружили древний барельеф времен греко-персидских войн

Найден барельеф с изображением сражения между греками и персами

N+1
Все сложно: правила приема пищи, которые соблюдает вся королевская семья Все сложно: правила приема пищи, которые соблюдает вся королевская семья

Посещение обеда у королевы требует неукоснительного соблюдения этикета

Cosmopolitan
Открыть в приложении