Астрофизикам удалось объяснить загадочное поведение космических лучей

Группа ученых из России и Китая разработала модель, позволяющую объяснить природу высокоэнергетичных космических лучей в нашей Галактике. Заинтересовавшие астрофизиков космические лучи обладают энергией на два-три порядка выше, чем рожденные при взрывах сверхновых. Основная роль в их модели отведена недавно открытым гигантским структурам — пузырям Ферми. Работа опубликована в журнале EPJ Web of Conferences.

Одной из главных проблем теории происхождения космических лучей (высокоэнергетичных протонов и атомных ядер) является механизм их ускорения. Этот вопрос был решен Виталием Гинзбургом и Сергеем Сыроватским, которые в 60-х годах прошлого века предположили, что космические лучи генерируются взрывами сверхновых звезд в галактике. Конкретный механизм ускорения заряженных частиц на ударных волнах сверхновых был предложен Гермогеном Крымским и коллегами в 1977 году. Однако в силу ограниченного времени жизни этих ударных волн оцениваемая максимальная энергия ускоренных частиц не могла превышать величины порядка 10¹⁴–10¹⁵ эВ (электронвольт).

Возникает вопрос о природе частиц с энергиями больше 10¹⁵ эВ. Большой прорыв в исследовании развития процессов ускорения таких частиц был связан с открытием космическим гамма-телескопом Fermi в ноябре 2010 года двух гигантских структур в центральной области нашей Галактики, испускающих излучение в гамма- и рентгеновском диапазонах. Обнаруженные структуры симметрично вытянуты перпендикулярно плоскости Галактики относительно ее центра и простираются на расстояние в 50 тысяч световых лет, что сопоставимо с диаметром диска Млечного Пути. Эти структуры получили название «пузырей Ферми». Позднее команда телескопа Planck обнаружила излучение этих структур в микроволновом диапазоне.

Природа Фермиевских пузырей пока еще остается не вполне ясной, однако пространственное положение обнаруженных структур однозначно указывает на их отношение к активности центра нашей Галактики, где, как предполагается, расположена центральная черная дыра с массой 10⁶ солнечных. Современные модели связывают существование пузырей Ферми с процессами звездообразования, а также с выделением гигантской энергии в центре Галактики в результате приливного разрушения звезд при аккреции на центральную черную дыру. Подобные структуры не могут быть свойственны только Млечному Пути и наблюдаются в других галактических системах с активными ядрами.

Дмитрий Чернышев (выпускник МФТИ), Владимир Догель (сотрудник МФТИ) и их коллеги из Гонконга и Тайваня опубликовали серию статей, посвященных природе пузырей Ферми. Они показали что гамма- и микроволновое излучение в этих областях обусловлено различными процессами с участием релятивистских электронов, ускоренных ударными волнами, которые образуются при падении звездного вещества на черную дыру. При этом ударные волны должны ускорять и протоны, и ядра. Однако, в отличие от электронов, релятивистские протоны, обладающие большей массой, практически не теряют свою энергию в гало и могут заполнять весь объем Галактики. В своей работе авторы предположили, что гигантские ударные фронты Фермиевских пузырей способны дополнительно ускорять протоны, испущенные сверхновыми, до энергий существенно выше 10¹⁵ эВ.

Анализ процессов дополнительного ускорения космических лучей показал, что пузыри Ферми могут отвечать за формирование спектра космических лучей выше уровня «колена» этого спектра, то есть при энергиях больших 3×10¹⁵ эВ (диапазон энергий «B» на рисунке 2). Для сравнения энергия ускоренных протонов в Большом адронном коллайдере также составляет ~10¹⁵ эВ.

«Предложенная нами модель позволяет объяснить спектральное распределение наблюдаемого потока космических лучей. Можно сказать, что описанные нами процессы способны дополнительно ускорить галактические космические лучи, рожденные при взрывах сверхновых. Поскольку, в отличие от электронов, протоны имеют существенно большее время жизни, протоны, ускоренные в пузырях Ферми, способны заполнить весь объем Галактики и, соответственно, могут наблюдаться у Земли. В нашей модели мы предполагаем, что космические лучи, состоящие из высокоэнергетичных протонов и ядер, с энергией, меньшей 10¹⁵ эВ (ниже по энергии уровня "колена" наблюдаемого спектра), рождены при взрывах сверхновых, находящихся в диске Галактики. Эти космические лучи доускоряются в пузырях Ферми до энергий, больших 10¹⁵ эВ (выше "колена"). Итоговое распределение космических лучей представлено на спектральной диаграмме», — говорит Владимир Догель.

Авторам данной работы удалось дать объяснение особенностям спектра космических лучей в диапазоне энергий от 3×10¹⁵ до 10¹⁸ эВ (диапазон «B» на рисунке 2). Ими показано, что рожденные при взрывах сверхновых частицы, соответствующие энергиям, меньшим 3×10¹⁵ эВ, перемещаясь из диска Галактики в галактическое гало, дополнительно ускоряются в пузырях Ферми. Разумные параметры модели, описывающие ускорение частиц в Фермиевских пузырях, позволяют объяснить природу спектра космических лучей выше энергии 3×10¹⁵ эВ. При этом спектр ниже этого уровня остается неизменным. Таким образом, полученная модель позволяет получить спектральное распределение космических лучей полностью соответствующее наблюдаемому.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.