Мощные ускорители частиц вблизи Солнечной системы: результаты самого обширного анализа космических лучей

20.11.2024 14:23:00 | iXBT.com

В глубинах Вселенной существуют экстремальные объекты, такие как остатки сверхновых, пульсары и активные ядра галактик, которые способны испускать заряженные частицы и гамма-лучи с невероятно высокими энергиями, превышающими энергию, производимую ядерным синтезом в звёздах, на несколько порядков. Гамма-лучи, достигающие Земли, предоставляют ценную информацию об этих источниках, поскольку они распространяются неизменными. Однако в случае заряженных частиц, известных как космические лучи, ситуация сложнее, поскольку они постоянно подвергаются воздействию магнитных полей во Вселенной и воздействуют на Землю изотропно, то есть со всех сторон.

Космические лучи, особенно электроны и позитроны с энергией в несколько тераэлектронвольт (ТэВ), представляют особый интерес для учёных, поскольку их обнаружение на Земле указывает на наличие мощных ускорителей частиц космических лучей вблизи Солнечной системы. Однако их обнаружение является сложной задачей. Космические приборы с площадью обнаружения около одного квадратного метра не способны улавливать достаточное количество этих редких частиц, а наземные приборы сталкиваются с проблемой дифференциации ливней, вызванных электронами космических лучей (или позитронами), от гораздо более частых ливней, вызванных воздействием более тяжёлых протонов и ядер космических лучей.

Визуализация массива телескопа HESS, фиксирующего ливни частиц, создаваемых высокоэнергетическими космическими электронами и позитронами, а также гамма-лучами. Источник: Collaboration MPIK / HESS

Обсерватория HESS, расположенная в Намибии, использует пять больших телескопов для регистрации слабого черенковского излучения, создаваемого сильно заряженными частицами и фотонами, которые входят в атмосферу Земли, создавая ливень частиц. Хотя основной целью обсерватории является обнаружение и отбор гамма-лучей, данные также могут быть использованы для поиска электронов космических лучей.

В самом обширном анализе, когда-либо проводившемся, ученые из коллаборации HESS получили новую информацию о происхождении этих частиц. Астрофизики применили новые, более мощные алгоритмы отбора, способные отфильтровывать электроны космических лучей (CRe) из фонового шума с беспрецедентной эффективностью. Это привело к непревзойденному набору статистических данных для анализа CRe в самых высоких энергетических диапазонах, вплоть до 40 ТэВ.

Художественное изображение пульсара с мощным магнитным полем, вращающимся вокруг него. Облака заряженных частиц, движущиеся вдоль линий поля, испускают гамма-лучи, которые фокусируются магнитными полями. В этих магнитных полях создаются и ускоряются пары позитронов и электронов, что делает пульсары потенциальными источниками высокоэнергетических космических электронов и позитронов. Источник: NASA / Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

«Это важный результат, с которым мы можем сделать вывод, что измеренные CRe, скорее всего, происходят из очень немногих источников в непосредственной близости от Солнечной системы, максимум на расстоянии нескольких тысяч световых лет, что очень мало по сравнению с размерами нашей галактики», — объясняет Катрин Эгбертс из Потсдамского университета, одна из соавторов исследования.

«Мы впервые смогли наложить серьёзные ограничения на происхождение этих космических электронов с помощью нашего детального анализа», — добавляет профессор Хофманн из Института ядерной физики Макса Планка, соавтор исследования. «Очень низкие потоки при больших ТэВ ограничивают возможности космических миссий. Наше измерение не только предоставляет данные в важном и ранее неисследованном диапазоне энергий, влияя на понимание местных окрестностей, но и, вероятно, останется эталоном на ближайшие годы», — добавляет Матье де Наруа, научный сотрудник CNRS из Лаборатории Лепренс-Ринге.

Учёные идентифицировали удивительно резкий разрыв в распределении энергии электронов космических лучей, что указывает на то, что эти частицы, скорее всего, происходят из источников в непосредственной близости от Солнечной системы. Это открытие имеет важное значение для понимания процессов ускорения частиц в экстремальных условиях Вселенной и может помочь в поиске и исследовании источников космических лучей.

Подробнее