Новое исследование, опубликованное астрофизиками Мичиганского государственного университета (MSU), может помочь ученым ответить на фундаментальный вопрос астрофизики: откуда берутся галактические космические лучи?
Космические лучи — высокоэнергетические частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. Они были открыты еще в 1912 году американцем Робертом Милликеном. Он привязывал к наполненному гелием аэростату прибор с чувствительной фотопленкой и запускал шар на высоту 15 км. Пленка оказывалась засвеченной. Но где находится источник космических лучей (в нашей галактике Млечный Путь или за ее пределами), остается неясным.
Предполагается, что большая часть лучей в Млечном Пути имеет местное происхождение. Это обусловлено тем, что магнитное поле галактики за счет силы Лоренца искривляет траекторию движения частиц и не выпускает их за пределы Млечного Пути. Только самые быстрые и проворные частицы с относительно слабым зарядом способны выскользнуть из галактической мышеловки. Точно также самые быстрые частицы из других галактик способны долететь до нас. Если им хватит скорости, они пронзят Млечный Путь и отправятся дальше. Если нет — останутся с нами до первого взаимодействия.
Шуо Чжан, доцент кафедры физики и астрономии MSU, и ее группа провели два исследования, которые пролили свет на то, откуда могут распространяться космические лучи. Недавно опубликованные результаты были представлены на 246-м заседании Американского астрономического общества в Анкоридже, Аляска.
Источниками высокоэнергетических, быстро движущихся частиц могут быть окрестные области черных дыр, остатки сверхновых и области активного звездообразования. Известно, что эти экстремальные астрофизические зоны также генерируют нейтрино — крошечные, почти невесомые частицы («нейтрончики»), которые в изобилии встречаются и глубоко в космосе, и на нашей планете. Около 1014 космических нейтрино из очень далеких источников проходят через наше тело каждую секунду. Понять, откуда они взялись, — естественное желание исследователя.
Источники космических лучей настолько мощны, что могут разогнать протон или электрон до энергий, намного превосходящих те, которые люди способны получить с помощью самых современных ускорителей элементарных частиц. Природные ускорители космических частиц получили название певатроны. Имеется в виду энергия частиц, измеряемая петаэлектронвольтами (ПэВ, 1015 эВ). Более полная информация о певатронах может помочь раскрыть фундаментальные вопросы астрофизики, такие как эволюция галактик и природа темной материи.
Последние работы исследовательской группы посвящены исследованиям кандидатов в певатроны на разных длинах волн электромагнитного спектра. В первой статье, увидевшей свет в Astrophysical Journal, Стивен Дикерби, аспирант из группы Чжан, исследовал загадочный певатрон-кандидат пока неизвестной природы, обнаруженный высотной обсерваторией LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory).
Используя рентгеновские данные космического телескопа XMM-Newton, Дикерби обнаружил туманность пульсарного типа — расширяющийся пузырь с релятивистскими электронами и периодическими выбросами энергии.
Во второй статье, опубликованной в журнале Research Notes of the AAS, три студентки MSU из группы Чжан — Элла Уэр, Амири Уокер и Шаан Карим — использовали рентгеновский телескоп НАСА Swift для наблюдения рентгеновского излучения от других малоизученных источников космических лучей, обнаруженных LHAASO. Команда рассчитала верхние пределы рентгеновского излучения, и их работа может послужить ориентиром для будущих исследований.
Благодаря выявлению и классификации источников космических лучей, мы надеемся составить полный каталог источников космических лучей с детальной и обоснованной классификацией. Это может послужить основой для будущих нейтринных обсерваторий и традиционных телескопов для более глубокого изучения механизмов ускорения заряженных частиц в галактической среде.
В дальнейшем команда Чжан планирует провести еще одно исследование источников космических лучей, объединив данные, собранные нейтринной обсерваторией IceCube, с данными рентгеновского и гамма-телескопов. Они хотят выяснить, почему одни певатроны испускают нейтрино, а другие - нет, а также где и как образуются нейтрино. Шуо Чжан отметила, что эта работа потребует тесного сотрудничества между физиками элементарных частиц и астрономами MSU.
Недавно Hi-Tech Mail рассказал об эксперименте на борту МКС, в ходе которого специальный детектор без обедов и выходных 12 лет регистрировал космические лучи, чтобы определить тайну происхождения металла лития.
