Тайна происхождения космических лучей уже почти совсем раскрыта Дмитрий Вибе

Тайна происхождения космических лучей уже почти совсем раскрыта

Дмитрий Вибе

Опубликовано 27 февраля 2013

Я уже писал о том, какой абстрактной бывает иногда астрономическая терминология. Наглядный пример — космические лучи. Догадаться о смысле этого термина, не зная истории вопроса, невозможно. А история состоит в том, что до 1930-1940-х годов причиной ионизации верхних слоёв атмосферы Земли считалось именно космическое излучение — фотоны высоких энергий. Со временем исследования показали, что космические лучи (КЛ) представляют собой не лучи света, а поток заряженных частиц, в основном протонов и альфа-частиц, но название уже прижилось.

Помимо протонов и альфа-частиц, то есть ядер водорода и гелия, в состав КЛ входят ядра более тяжёлых элементов, причём примерно в пропорциях их общего содержания во Вселенной: 10 процентов гелия, 1 процент тяжёлых элементов (вплоть до урана), остальное — водород (протоны). Иными словами, космические лучи представляют собой обычную материю, только сильно ионизованную и разогнанную до скоростей, близких к скорости света.

Механизмов, способных сообщить атомным ядрам такую энергию, не так много. И кажется вполне естественным предположение о том, что разгон КЛ как-то связан с одним из самых мощных явлений во Вселенной — со вспышками сверхновых. Это предположение было высказано в 1934 году Фрицем Цвикки и Вальтером Бааде и изначально опиралось, главным образом, на энергетические аргументы.

Полная плотность энергии КЛ в Галактике вполне сопоставима с плотностью других видов энергии (излучения, магнитного поля и пр.) и составляет порядка 1 эВ на куб. см. Однако со временем энергия одних частиц падает из-за взаимодействия с межзвёздной средой, другие частицы и вовсе покидают Галактику. Чтобы скомпенсировать эти потери, необходимо подпитывать космические лучи энергией с темпом порядка 10⁴¹ эрг/сек. Сверхновые вполне способны обеспечить этот приток при условии, что в космические лучи перекачивается примерно десяток процентов энергии каждой вспышки. В качестве механизма ускорения заряженных частиц в оболочках сверхновых рассматривается сейчас диффузионное ускорение ударной волной. Теория этого процесса хорошо разработана и вполне способна объяснить наблюдаемые свойства КЛ.

Дело за малым — за наблюдательным подтверждением. Конечно, речь не может идти о том, чтобы непосредственно наблюдать процесс ускорения. Те частицы, которые мы детектируем на Земле и в её окрестностях, прошли через мясорубку гелиосферной ударной волны, по пути чего-то лишившись и чем-то дополнившись. Но даже изучение космических лучей за пределами гелиосферы не прольёт свет на их источник. Путешествуя по Галактике, заряженные частицы привязаны к силовым линиям магнитного поля, которые имеют весьма запутанную структуру, и потому направление на источник данной частицы в процессе её блуждания по Галактике полностью теряется. Приходится полагаться на косвенные наблюдения. Непрямым индикатором ускорения является нетепловое излучение, которое порождается частицами, разогнанными до релятивистских скоростей, при их взаимодействии с веществом и магнитным полем.

Причины генерации этого излучения различны. В диапазоне от радиоволн до рентгена оно имеет синхротронную природу и порождается релятивистскими электронами. Именно наблюдения синхротронного излучения оболочек сверхновых и стали доказательством того, что, по крайней мере, электроны в них действительно ускоряются до релятивистских скоростей.

Источником излучения высокой энергии в остатках сверхновых могут быть и протоны. Если релятивистский протон, разогнанный ударной волной, сталкивается с другим протоном, например ядром атома водорода межзвёздного газа, в результате столкновения появляется пи-ноль-мезон, распад которого порождает два гамма-кванта с энергиями, примерно равными половине массы пи-мезона (она в энергетических единицах равна 135 МэВ).

Проблема состоит в том, что излучение в гамма-диапазоне частично может порождаться и быстрыми электронами. Это может быть тормозное излучение, для обозначения которого в английском языке почему-то используется немецкое слово Bremsstrahlung, или обратное комптоновское рассеяние, когда релятивистские электроны, взаимодействуя с фотонами (во Вселенной везде есть какие-нибудь фотоны), передают им часть своей энергии и «переводят» в гамма-диапазон. Но электроны, в отличие от протонов, с точки зрения происхождения космических лучей не так интересны; их доля в общем потоке КЛ составляет всего около процента.

Так что наблюдения остатков сверхновых в гамма-диапазоне сами по себе ещё не свидетельствуют о том, что там работает ускоритель именно протонов (и более тяжёлых атомных ядер). Одной из основных задач наблюдателей высокоэнергичного излучения являются поиски доказательств того, что рождающиеся в остатках гамма-кванты имеют не «лептонную» (электронную), а «адронную» природу, то есть порождаются основным компонентом космических лучей. Одним из таких доказательство могут стать признаки распада пионов в спектре гамма-излучения остатка сверхновой.

Авторы статьи, опубликованной в феврале 2013 года журналом Science, уверяют, что им впервые удалось найти эти признаки в гамма-спектрах двух остатков сверхновых, IC 443 и W44, ударные волны которых налетели на молекулярные облака — идеальная ситуация для генерации пионного гамма-излучения.

От космических лучей гамма-излучение выгодно отличается тем, что не петляет по Галактике, а приносит информацию непосредственно из источника. Но наблюдать гамма-лучи тоже нелегко. Маркус Акерманн и его коллеги использовали для наблюдений телескоп LAT, установленный на борту космической обсерватории «Ферми». Теоретически его диапазон простирается от 20 МэВ до 300 ГэВ, однако до недавнего времени чувствительности телескопа к гамма-квантам с энергией ниже 200 МэВ не хватало для наблюдений остатков сверхновых. Точнее, недостаточно совершенной была процедура обработки результатов наблюдений, включающая в себя, в частности, вычисление направления прилёта гамма-квантов и устранение фонового сигнала. Забавно, что существенным источником шума для таких телескопов являются «местные» космические лучи. Получается, что частицы КЛ, ускоренные в остатках сверхновых, долетев до Земли, сами мешают себя изучать.

Правда, даже после усовершенствования процедуры спектр удалось построить только для фотонов с энергиями выше 60 МэВ, так что нужный участок оказался на краю доступного диапазона. Тем не менее, по мнению наблюдателей, в спектре обоих остатков видно резкое снижение количества фотонов с энергиями меньше 200 МэВ, что соответствует почти полному их отсутствию в области энергий ниже тех, что в состоянии породить распадающийся пи-мезон. Это снижение хорошо описывается моделью пионного распада, тогда как модели, в которых гамма-излучение генерируется релятивистскими электронами, такой резкий спад объяснить не в состоянии.

Интенсивность гамма-излучения в остатках IC 443 и W44 соответствует плотности энергии космических лучей порядка 400 эВ на куб. см, что существенно выше среднего значения по Галактике. Простым сжатием существующих КЛ на фронте ударной волны такое повышение плотности не объяснить, поэтому можно предполагать, что релятивистские частицы имеют местное происхождение, то есть порождены самой ударной волной.

В общем, мозаика как будто складывается наконец-то в целостную картину. Это не означает, конечно, что тема закрыта. Во-первых, пока что показано, что протоны ускоряются в двух остатках сверхновых. Однако эти остатки не вполне типичны, и остаётся открытым вопрос о том, насколько полученные результаты применимы к любым галактическим сверхновым.

Во-вторых, сверхновые в любом случае объясняют происхождение не всех КЛ. Энергии частиц, так или иначе детектируемых на Земле или в околоземном пространстве, заключены в диапазоне, охватывающем 14 порядков: от нескольких МэВ до ЗэВ (10²¹ эВ). Предполагается, что только частицы с энергиями ниже 10¹⁷-10¹⁸ эрг имеют галактическое происхождение. Остальные приходят извне, и происхождение их остаётся довольно туманным.

К оглавлению