Космические лучи порождаются остатками сверхновых
В течение целого века ученые-физики ломали голову над космическими лучами — частицами, преимущественно протонами, которые несутся сквозь пространство с огромной скоростью и, похоже, прибывают со всех сторон равномерно. Каков источник этих галактических потоков? И как они разогнались до таких скоростей? Ответ на эти загадки, наконец, получен международной командой исследователей.
Ученые получили существенные доказательства того, что, по крайней мере, часть космических лучей излучается остатками сверхновых — расширяющихся оболочек из материи взорвавшихся звезд, которые выступают в роли естественных ускорителей частиц.
Тайна происхождения космических лучей скрывалась за семью печатями, поскольку их взаимодействие скрывало источники излучения. Будучи заряженными частицами, они «толкают» магнитное поле в космосе. В результате, они преодолевают настолько дальние расстояния в космосе, что земными детекторами невозможно уловить, откуда они пришли.
Скорость, с которой путешествуют частицы, предполагает, что они исходят из невероятно жестокого, мощного, высокоэнергетического источника. Исследователи давно подозревали, что это остатки сверхновых, но никак не могли подтвердить это.
«Нам нужен нейтральный свидетель того, где были рождены космические лучи», — говорит Стефан Фанк из Стэнфордского университета в Пало-Альто, Калифорния, от имени команды в 170 человек.
Гамма-лучи — высокоэнергетические протоны, родившиеся как побочный продукт от ускорения протонов — могут выполнять роль нейтральных свидетелей, потому что у них нет электрического заряда, а значит, они могут путешествовать в космосе по прямой линии. Но высокоскоростные электроны тоже порождают гамма-излучение, и до этого времени физики не могли сказать наверняка, являются ли гамма-лучи, фиксируемые на земле после взрыва сверхновых, производными от электронов или протонов.
«Разделить два этих варианта было невероятно сложно», — говорит Люк Друри из Дублинского института повышения квалификации.
Американский физик итальянского происхождения Энрико Ферми в 1949 году впервые вынес на обсуждение вероятность того, что остатки сверхновых могут ускорять протоны. Механизм выглядит примерно следующим образом: остаток сверхновой представляет собой расширяющуюся сферу материи, которая захватывает с собой газ, летающий между звездами. Это производит ударную волну перед сферой, и этот ударный фронт сопровождается сложным магнетическим полем, как спереди, так и сзади. Заряженные частицы вроде протона в газе могут отскакивать туда-обратно от этих двух полей, каждый раз набирая дополнительную энергию при прохождении сквозь «шлюз» из газа. В конце концов, протон достаточно разгоняется, чтобы преодолеть силу магнитного поля и выстрелить в космос в качестве космического луча.
В то время, как высокоскоростные протоны сталкиваются со своими более медлительными братьями в межзвездном пространстве, их столкновения порождают элементарные частицы под названием элементарный пион. Пион практически сразу распадается на два гамма-луча — нейтральных свидетелей, которые говорят о наличии высокоэнергетических протонов. Электроны, ускорившиеся в результате взрыва сверхновой, тоже производят гамма-лучи, но по другому механизму, который оставляет тонкое различие в энергетических спектрах двух потоков гамма-лучей. Поскольку гамма-лучи протона рождаются пионом, каждый гамма-луч содержит энергию минимум половины энергии пиона. Нижние энергетические уровни не закрадываются в этот спектр. А вот гамма-лучи электрона, напротив, не отсекают энергию нижних уровней.
Гамма-лучи из глубокого космоса трудно обнаружить, потому что атмосфера Земли останавливает их прежде, чем те достигнут поверхности. И до недавнего времени орбитальные детекторы тоже не могли справиться с задачей распознания энергетического уровня гамма-луча. Зато гамма-лучевой космический телескоп имени Ферми, сделанный NASA, смог. Причем четыре года назад. С 2008 года ученые тщательно изучали данные, полученные в результате излучения двух ближайших сверхновых. Это открытие позволит тщательно изучит классы остатков сверхновых в зависимости от их гамма-излучения, а также положить конец долго тянувшейся разгадке космических лучей.
Команда показала, что остатки сверхновой являются источником космических лучей. Но основным ли? Для изучения этого вопроса потребуются новые данные и изучение других объектов. Главное, что теперь в наличии есть нужные инструменты. А когда теоретическая физика подтверждается практикой, это очень хорошо. Без теоретического исследования квантовых процессов не родился бы Интернет, сотовая связь и многие другие современные технологии, без которых наша жизнь кажется странной.
