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

«Научное волонтерство: Делаем науку вместе» «Научное волонтерство: Делаем науку вместе»

К каким исследованиям ученые впервые привлекли добровольцев

N+1
«Экспекто патронум!»: 9 мифов о Джоан Роулинг «Экспекто патронум!»: 9 мифов о Джоан Роулинг

9 мифов о Джоан Роулинг

Вокруг света
Только наука: сколько времени нам нужно, чтобы влюбиться Только наука: сколько времени нам нужно, чтобы влюбиться

Сколько часов, минут и секунд нужно человеку, чтобы привязаться к партнеру?

ТехИнсайдер
Ирина Хакамада Ирина Хакамада

Хакамада – российский политик, избравший западную модель продолжения карьеры

Esquire
Лидерство в коллективе: как завоевать авторитет и доверие в группе? Лидерство в коллективе: как завоевать авторитет и доверие в группе?

Какие лидерские качества стоит развивать, чтобы завоевать доверие в группе

Psychologies
«Талибан» 2.0: почему модернизация Афганистана провалилась «Талибан» 2.0: почему модернизация Афганистана провалилась

Печальный итог существовавшего в Афганистане режима был предопределен

Forbes
Она меня не слышит! Она меня не слышит!

Почему ребенок не реагирует на твои слова и как наладить с ним диалог

Лиза
Экологический переворот Экологический переворот

Понять, принять и посчитать. Экология — это навсегда

Forbes
Как убрать спам из календаря iPhone Как убрать спам из календаря iPhone

Как убрать спам из календаря iPhone, запретить его отправлять и получать

CHIP
«Восседает на троне»: как Меган Маркл кардинально изменилась к 40 годам «Восседает на троне»: как Меган Маркл кардинально изменилась к 40 годам

Меган Маркл смогла превратить в реальность все свои самые смелые желания

Cosmopolitan
«Если нормы несправедливы, надо бросить им вызов»: что такое гендерная урбанистика и почему она нужна всем «Если нормы несправедливы, надо бросить им вызов»: что такое гендерная урбанистика и почему она нужна всем

Как феминистский подход к градостроительству спасает от бедности и насилия

Forbes
Было — стало: 6 примеров того, как человек и изменение климата влияют на планету Было — стало: 6 примеров того, как человек и изменение климата влияют на планету

Человеческая деятельность навсегда изменила Землю

Вокруг света
Как понять, что вы ведете себя с ребенком токсично Как понять, что вы ведете себя с ребенком токсично

Как понять, что мы, возможно, травмируем самых любимых на свете людей?

Psychologies
Два раза в одну реку: 7 причин никогда не возвращаться к своему бывшему Два раза в одну реку: 7 причин никогда не возвращаться к своему бывшему

Почему никогда-никогда не стоит возобновлять отношения с бывшим?

Cosmopolitan
Извиниться за стрижку: почему олимпийские рекорды лучницы из Южной Кореи подняли волну хейта Извиниться за стрижку: почему олимпийские рекорды лучницы из Южной Кореи подняли волну хейта

Как борьба с дискриминацией женщин в Южной Корее обострила социальные проблемы

Forbes
5 самых необычных животных Земли: часть 1 5 самых необычных животных Земли: часть 1

Существа настолько странные, что они с легкостью сойдут за инопланетян

Популярная механика
С деньгами на выход С деньгами на выход

Как основателю стартапа привлечь инвестора с максимальной выгодой

РБК
Я рабыня королевы Вселенной! Скандалы с прислугой Терон, Мадонны и других звезд Я рабыня королевы Вселенной! Скандалы с прислугой Терон, Мадонны и других звезд

Персоналу звезд иногда приходится работать в адских условиях

Cosmopolitan
Амбиверты: кто это такие и как понять, что вы один из них Амбиверты: кто это такие и как понять, что вы один из них

Амбиверты — люди, находящиеся между экстраверсией и интроверсией

Psychologies
7 аудиокниг, основанных на важных исторических событиях 7 аудиокниг, основанных на важных исторических событиях

Подборка документальных произведений о значимых исторических событиях

Популярная механика
Самые бесполезные и смешные факты со всего света и за всю историю человечества Самые бесполезные и смешные факты со всего света и за всю историю человечества

Огромнейшее количество фактов, которые заинтересуют любую девушку

Maxim
Опасное одиночество: как гены обусловили наше желание быть в обществе Опасное одиночество: как гены обусловили наше желание быть в обществе

Почему мы вечно переживаем, что подумают о нас другие?

Inc.
Синоним простоты: зачем ресторатор из Петербурга модернизировал русские валенки Синоним простоты: зачем ресторатор из Петербурга модернизировал русские валенки

Как Кирилл Васильев решил осовременить валенки

Forbes
Сергей Шойгу: Неприлично не знать собственную страну Сергей Шойгу: Неприлично не знать собственную страну

Сергей Шойгу — об особенностях сибирской охоты и России

Вокруг света
На своей волне На своей волне

Самые распространенные мифы и страшилки о микроволновке

Лиза
8 признаков того, что вы хороши в любви 8 признаков того, что вы хороши в любви

Как вы думаете, партнеру с вами повезло?

Psychologies
Озеро скорости: соляное озеро Бонневиль Озеро скорости: соляное озеро Бонневиль

Здесь собираются люди на самых невероятных автомобилях и мотоциклах

Популярная механика
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
Выживает слабый: как Чарлз Дарвин опровергал свою же теорию Выживает слабый: как Чарлз Дарвин опровергал свою же теорию

190 лет назад великий ученый Чарлз Дарвин поднялся на борт корабля «Бигль»

Вокруг света
«Мне удалили глаз. Я не бросила танцы, вышла замуж и наслаждаюсь жизнью» «Мне удалили глаз. Я не бросила танцы, вышла замуж и наслаждаюсь жизнью»

Каково это — смотреть на мир одним глазом? Как жить после страшного диагноза?

Psychologies
Открыть в приложении