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

«Насилие. Микросоциологическая теория» «Насилие. Микросоциологическая теория»

Как перестрелки вытеснили честные поединки

N+1
Все бабушки делают это: почему старшее поколение балует внуков? Все бабушки делают это: почему старшее поколение балует внуков?

Почему бабушки включают режим вседозволенности и стоит ли с этим бороться

Psychologies
Ингибитор тирозинкиназы помог при хронической крапивнице в третьей фазе испытаний Ингибитор тирозинкиназы помог при хронической крапивнице в третьей фазе испытаний

Ученые сообщили об успехе испытаний ремибрутиниба при хронической крапивнице

N+1
Как просить прощения, чтобы точно быть услышанным Как просить прощения, чтобы точно быть услышанным

Как попросить прощения у любимого человека и действительно получить его

Cosmopolitan
5 советов, как побороть нерешительность и довести дело до конца 5 советов, как побороть нерешительность и довести дело до конца

Нерешительность — одна из самых разочаровывающих и непродуктивных форм поведения

Inc.
Вопреки всему: история любви четырехногой циркачки Жозефины Миртл Корбин Вопреки всему: история любви четырехногой циркачки Жозефины Миртл Корбин

Жозефина была знаменитой «четырехногой девочкой из Техаса»

Cosmopolitan
От «Ласточки» до «Дельфина»: история крылатых кораблей От «Ласточки» до «Дельфина»: история крылатых кораблей

Нижний Новгород, родина российских крылатых судов

Популярная механика
Пример для подражания: Татьяна Маричева Пример для подражания: Татьяна Маричева

Наша героиня помогает экспертам создавать обучающие курсы и привлекать клиентов

Cosmopolitan
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
Не слипнется: 11 самых известных американских сладостей Не слипнется: 11 самых известных американских сладостей

Традиционные сладости американцев, по которым они сходят с ума

Cosmopolitan
В окрестностях Старой Рязани нашли клад серебряных украшений и денег домонгольского периода В окрестностях Старой Рязани нашли клад серебряных украшений и денег домонгольского периода

Клад, обнаруженный неподалеку от села Исады

N+1
Анастасия Бабичева. Против насилия: остановить его поможет знание Анастасия Бабичева. Против насилия: остановить его поможет знание

Волонтёрская деятельность дала Анастасии понять, как много вокруг насилия

Домашний Очаг
Как Коко Шанель заимствовала элементы мужского гардероба и как мужчины сейчас используют наследие Chanel Как Коко Шанель заимствовала элементы мужского гардероба и как мужчины сейчас используют наследие Chanel

Мужчины переосмысливают наследие Chanel по-своему

Esquire
Как перестать винить себя в том, что вы постоянно тратите деньги Как перестать винить себя в том, что вы постоянно тратите деньги

Тратить надо со спокойной душой – и никак иначе

GQ
Жертва или агрессор: как отказаться от привычной роли в конфликте Жертва или агрессор: как отказаться от привычной роли в конфликте

Как понять, что мы стали заложниками чужого гнева?

Psychologies
Тверкайте на здоровье: как танцы помогают почувствовать себя лучше Тверкайте на здоровье: как танцы помогают почувствовать себя лучше

Рассказываем, почему танцы иногда полезнее, чем обычный фитнес

РБК
Лидер революции: 10 мифов о Фиделе Кастро Лидер революции: 10 мифов о Фиделе Кастро

Развенчиваем мифы о самом знаменитом кубинском лидере Фиделе Кастро

Вокруг света
Склонность упорядочивать объекты слева направо оказалась не врожденной Склонность упорядочивать объекты слева направо оказалась не врожденной

Склонность упорядочивать объекты слева направо не врожденная особенность

N+1
С какого возраста ребенку нужно спать отдельно от родителей? С какого возраста ребенку нужно спать отдельно от родителей?

Когда ребенку пора спать в своей кровати?

Psychologies
Интеллектуальная собственность в АПК Интеллектуальная собственность в АПК

Что следует знать аграриям при регистрации объектов патентного права

Агроинвестор
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
«Пусть это невозможно, но я попробую»: как актриса Нелли Уварова стала социальным предпринимателем «Пусть это невозможно, но я попробую»: как актриса Нелли Уварова стала социальным предпринимателем

Нелли Уварова — о том, что поразило ее в рассказах детей из деревень

Forbes
Что делать, если ноутбук сильно нагревается? Что делать, если ноутбук сильно нагревается?

Если ноутбук сильно греется, это может привести к повреждению оборудования

CHIP
Вокруг света: главные кругосветные плавания в истории человечества Вокруг света: главные кругосветные плавания в истории человечества

7 августа 1803 года началась первая русская кругосветная экспедиция

Вокруг света
5 необычных научно-популярных книг, которые вы могли пропустить. А зря! 5 необычных научно-популярных книг, которые вы могли пропустить. А зря!

Подборка из пяти необычных научно-популярных книг

Популярная механика
«Управляй этим»: 50 оттенков домашнего менеджмента, который мы не замечаем «Управляй этим»: 50 оттенков домашнего менеджмента, который мы не замечаем

Домашняя работа — сложная задача, требующая планирования

Cosmopolitan
Новый френч: как сделать самый классический маникюр и не выглядеть старомодно Новый френч: как сделать самый классический маникюр и не выглядеть старомодно

Новый френч маникюр

Cosmopolitan
Не замечают: 6 неочевидных мест, в которых прячется меланома Не замечают: 6 неочевидных мест, в которых прячется меланома

Где может прятаться меланома?

Cosmopolitan
За люриком под парусами За люриком под парусами

Репортаж с архипелага Новая Земля

Наука и жизнь
Скажи мне D Скажи мне D

К чему приводит нехватка витамина D

Men’s Health
Открыть в приложении