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

Немедикаментозное снижение массы обрекло канадца на хроническую боль Немедикаментозное снижение массы обрекло канадца на хроническую боль

Почему может развиться хроническая боль на фоне снижения массы тела

N+1
«Делами, не словами»: как Эммелин Панкхерст добилась избирательного права для женщин «Делами, не словами»: как Эммелин Панкхерст добилась избирательного права для женщин

Суфражистки под руководством Панкхерст они добились для женщин права голосовать

Forbes
Когда медицина перестает быть бумажной: как Москва лечит людей и спасает деревья Когда медицина перестает быть бумажной: как Москва лечит людей и спасает деревья

Как электронная медицина спасает сотни деревьев?

Правила жизни
Не только Nirvana: 5 обложек известных альбомов, за которые дети тоже могут подать в суд Не только Nirvana: 5 обложек известных альбомов, за которые дети тоже могут подать в суд

Самые опасные кадры с пластинок

Maxim
Вместо похода к психологу: 4 домашних дела, которые помогут успокоить нервы Вместо похода к психологу: 4 домашних дела, которые помогут успокоить нервы

Как снизить уровень стресса и снять тревогу в домашних условиях?

ТехИнсайдер
Какие виды окрашивания держатся дольше остальных: секреты колориста Какие виды окрашивания держатся дольше остальных: секреты колориста

Какие типы окрашивания обладают повышенной стойкостью

Cosmopolitan
Обмани как художник: как известные творцы вводили мир в заблуждение Обмани как художник: как известные творцы вводили мир в заблуждение

Жизнь художников часто обрастает мифами, которые нередко создаются ими самими

GQ
Учимся питаться, тренироваться и жить как Крис Хемсворт Учимся питаться, тренироваться и жить как Крис Хемсворт

Как Крису Хемсворту удается быть одинаково классным на экране и в жизни

GQ
«Синдром понедельника»: как подготовиться к началу рабочей недели «Синдром понедельника»: как подготовиться к началу рабочей недели

9 способами, как избавиться от «синдрома понедельника»

Psychologies
Уравнение с известными. Как перестать беспокоиться и начать переезд Уравнение с известными. Как перестать беспокоиться и начать переезд

Как облегчить переезд?

СНОБ
Шницель Лионеля Месси Шницель Лионеля Месси

Рецепт шницеля по-аргентински, любимого блюда Лионеля Месси

Weekend
Всем оставаться на своих местах! Всем оставаться на своих местах!

Как хранить и готовить продукты, чтобы избежать потерь ценных витаминов

Лиза
От пацанки до женщины-вамп: бьюти-эволюция певицы Славы От пацанки до женщины-вамп: бьюти-эволюция певицы Славы

Бьюти-эволюция Славы за всю ее карьеру

Cosmopolitan
Дина Саева: «Хочу стать мировой звездой» Дина Саева: «Хочу стать мировой звездой»

Дина Саева — о приоритетах в жизни, равнодушии к деньгам, отношении к негативу

ЖАРА Magazine
Отец русского ленд-арта. Большое интервью с основателем «Никола-Ленивца» Николаем Полисским Отец русского ленд-арта. Большое интервью с основателем «Никола-Ленивца» Николаем Полисским

Художник Николай Полисский о том, в чем состоит миссия художника

Esquire
Там русский дух Там русский дух

Подмосковный дом с элементами русского быта и иллюзорных пространств

AD
Ксения Каталымова. Жить надо в радость Ксения Каталымова. Жить надо в радость

Ксения Каталымова о работе в сериале «Мир! Дружба! Жвачка!» и других ролях

Коллекция. Караван историй
Фигуристые красавицы: как выглядят звезды сериала «Универ» в бикини Фигуристые красавицы: как выглядят звезды сериала «Универ» в бикини

Эти эффектные актрисы прославились благодаря съемкам в сериале «Универ»

Cosmopolitan
Азбука устойчивого развития Азбука устойчивого развития

Определения наиболее актуальных терминов и явлений новой «зеленой» экономики

РБК
5 самых неприличных древних мифов 5 самых неприличных древних мифов

Мифы до того, как появилась строгая христианская мораль

Maxim
«Благодаря стаканчику мороженого я обрела семью и переехала в Америку» «Благодаря стаканчику мороженого я обрела семью и переехала в Америку»

Бывает, что наша жизнь кардинально меняется тогда, когда этого вовсе не ждешь

Psychologies
Повелительницы времени: женщины, которые выглядят гораздо моложе своих лет Повелительницы времени: женщины, которые выглядят гораздо моложе своих лет

Они не стесняются говорить о возрасте, ведь никто не поверит в эти цифры

Cosmopolitan
Боль в пояснице и сильная слабость: опасный рак встречается все чаще и чаще Боль в пояснице и сильная слабость: опасный рак встречается все чаще и чаще

Что такое рак почки и почему он стал лидером по приросту заболеваемости?

Cosmopolitan
Собаки-самоубийцы: почему животные спрыгивают с одного и того же моста в Шотландии Собаки-самоубийцы: почему животные спрыгивают с одного и того же моста в Шотландии

Что это за мост в Шотландии, и почему он так странно действует на собак

Playboy
«Знакомство в Тиндере превратило мою жизнь в кошмар» «Знакомство в Тиндере превратило мою жизнь в кошмар»

Как поиски любви превратили жизнь нашей героини в кошмар

Psychologies
Как Райан Рейнольдс заставил нас сочувствовать коду в фильме «Главный герой» Как Райан Рейнольдс заставил нас сочувствовать коду в фильме «Главный герой»

История про побочного персонажа компьютерной игры, который вдруг обрел чувства

GQ
Перемена на урок Перемена на урок

Как помочь людям с опытом сиротства получить образование

ПУСК
18 признаков того, что вы высокочувствительный человек 18 признаков того, что вы высокочувствительный человек

«Высокочувствительный» — слово, которыми сегодня разбрасываются направо и налево

Psychologies
Сидячая работа: 5 главных мифов о снайперах Сидячая работа: 5 главных мифов о снайперах

Работа снайпера — тяжелый труд, вокруг которого развелось множество мифов

Maxim
Российские ученые создали новый материал для тонких пленок и открыли его необычные свойства Российские ученые создали новый материал для тонких пленок и открыли его необычные свойства

Красноярские ученые получили новые перспективные тонкие пленки

Популярная механика
Открыть в приложении