Обнаружены космические лучи рекордной энергии, происхождение которых неизвестно

Астрофизики обнаружили космические лучи огромной энергии, которые скорее всего направляются на Землю ближайшим пульсаром.

Об этом рассказывает блог «Интересная наука» со ссылкой на пресс-релиз Общества имени Макса Планка (MPG).

Наша Вселенная кишит экстремальными объектами, которые часто трудно себе представить: остатки сверхновых, пульсары, активные галактические ядра. Все они способны излучать гамма-лучи и заряженные частицы с невероятно высокими уровнями энергии, которые часто на несколько порядков превышают те, что образуются во время ядерного синтеза в звездах.

В недавнем исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Physical Review Letters, ученые отчитались об обнаружении космических электронов и позитронов с энергией более 10 тераэлектронвольт (ТеВ). Для сравнения, это в 1000 миллиардов раз превышает энергию видимого света.

«Мы обнаружили данные в очень важном и ранее неисследованном диапазоне энергий», - говорит Вернер Хофманн из Института ядерной физики имени Макса Планка в Гейдельберге. «Он, вероятно, останется эталоном на ближайшие годы».

Этот прорыв стал возможным благодаря коллаборации H.E.S.S. в Намибии. В течение последнего десятилетия пять телескопов одноименной обсерватории всматривались в небо, сосредотачиваясь на космическом излучении, особенно на гамма-лучах.

Используя эти телескопы, исследователи собирали данные о космических лучах. И наконец их терпение окупилось. Им удалось с невероятной точностью измерить распределение энергии космических электронов и позитронов до десятков ТеВ.

Космические лучи — это высокоэнергетические частицы, которые пролетают сквозь космос и время от времени врезаются в атмосферу Земли. Большинство из них — это протоны или атомные ядра, которые потеряли свои электроны, и они движутся со скоростью, близкой к скорости света.

Они образуются в результате различных экстремальных космических событий, таких как взрывы сверхновых, джеты из далеких галактик и даже от нашего Солнца во время солнечных вспышек.

Когда эти быстрые частицы врезаются в атмосферу Земли, они сталкиваются с атомами и создают ливень вторичных частиц. Некоторые из этих вторичных частиц долетают до поверхности.

Ученые изучают космические лучи, чтобы узнать больше об этих экстремальных событиях во Вселенной и понять фундаментальные частицы и силы, которые за ними стоят.

Поскольку они отклоняются магнитными полями, трудно отследить заряженные космические лучи до их источника.

Кроме того, во время путешествия они теряют энергию, взаимодействуя со светом и магнитными полями. Эта потеря энергии особенно велика для электронов и позитронов с энергией выше ТеВ.

Следовательно, если мы обнаруживаем эти высокоэнергетические частицы здесь, на Земле, они, вероятно, пришли не слишком далеко.

Когда команда проанализировала свои данные, они заметили кое-что интересное: в энергетическом спектре есть заметный излом в районе 1 ТэВ. Ниже и выше этой точки спектр ведет себя по-разному. Это резкое изменение свидетельствует о том, что на этом энергетическом уровне происходит что-то странное.

Чтобы выяснить, в чём дело, астрофизики сравнили свои наблюдения с компьютерными моделями. Они рассмотрели потенциальные источники, такие как пульсары - сильно намагниченные вращающиеся нейтронные звезды, которые остались после взрыва сверхновой.

Некоторые пульсары излучают ветры заряженных частиц, и ударные фронты этих ветров могут давать частицам большой энергетический импульс.

«Измеренные электроны, вероятнее всего, происходят из очень немногих источников вблизи нашей Солнечной системы, максимум на расстоянии нескольких тысяч световых лет», - говорит Катрин Эгбертс из Потсдамского университета. «Источники на разных расстояниях значительно смыли бы этот перегиб».

Пульсары — это как космические маяки. Они вращаются невероятно быстро — несколько сотен раз в секунду — и выстреливают пучки электромагнитного излучения из своих магнитных полюсов. Когда эти лучи пролетают мимо Земли, мы фиксируем их как импульсы, отсюда и название «пульсар».

Но они не просто интересны. Пульсары имеют экстремальные магнитные поля и быстрое вращение, что делает их естественными ускорителями частиц.

Они могут разгонять частицы до энергий, значительно превышающих те, которых мы можем достичь на Земле. Изучение пульсаров помогает нам понять физику в условиях, которые мы не можем воспроизвести в лабораториях.

Использованная в исследовании Стереоскопическая система высоких энергий (H.E.S.S.) в Намибии — это группа из пяти телескопов, предназначенных для обнаружения гамма-лучей очень высоких энергий от источников в космосе.

Наблюдая слабые вспышки света, возникающие при взаимодействии гамма-лучей с атмосферой Земли — так называемое черенковское излучение — H.E.S.S. может выяснить свойства этих энергичных частиц.

Подытоживая, ученые обнаружили, что некоторые из самых энергичных частиц, пролетающих сквозь космос — космические электроны и позитроны с энергией более 10 тераэлектронвольт (ТэВ) — вероятнее всего, происходят от ближайшего пульсара, находящегося всего в нескольких тысячах световых лет от Солнечной системы.

Сопоставив свои наблюдения с компьютерными моделями, исследователи считают, что пульсар — сильно намагниченная вращающаяся нейтронная звезда — может ускорять эти частицы до таких высоких энергий.

Будущие наблюдения и более детальные модели могут помочь нам точно определить, какой именно пульсар посылает эти частицы в нашу сторону.