Космическими лучами называют высокоэнергичные элементарные частицы и ядра легких элементов, прилетающие к нам из глубокого космоса. Они несут информацию о наиболее энергичных событиях и активных объектах во Вселенной: ядрах галактик, взрывах сверхновых, релятивистских струях вещества – джетах и многом другом. Возможно, когда-нибудь они прольют свет и на тайны темной материи и отсутствия антиматерии во Вселенной. Одна из главных проблем теории происхождения космических лучей – механизм их ускорения. В 60-х годах прошлого века физики-теоретики Виталий Лазаревич Гинзбург и Сергей Иванович Сыроватский (ФИАН) предположили, что космические лучи могут возникать при взрывах сверхновых звёзд. Конкретный механизм ускорения заряженных частиц на возникающих при этом ударных волнах предложил Гермоген Филиппович Крымский с коллегами (Институт космофизических исследований и аэрономии ЯНЦ СО РАН) в 1977 году.
Исследователи из МФТИ и Физического института имени П.Н. Лебедева РАН совместно с китайскими коллегами разработали модель, позволяющую объяснить природу космических лучей в нашей Галактике в диапазоне энергий от 3×1015 до 1018 эВ, что на два-три порядка выше энергии частиц, рождённых при взрывах сверхновых.
Модель связывает высокоэнергичные космические лучи с открытыми в ноябре 2010 года «пузырями Ферми» – двумя огромными областями в центральной области нашей Галактики, испускающими излучение в гамма- и рентгеновском диапазонах. Эти симметричные относительно плоскости Галактики области простираются на расстояние в 50 тысяч световых лет, что сопоставимо с размером самого Млечного Пути. Позднее команда телескопа «Планк» обнаружила излучение этих структур и в микроволновом диапазоне. Подобные структуры наблюдаются в других галактических системах с активными ядрами.
Природа пузырей Ферми до конца не ясна. Однако их расположение однозначно указывает на связь пузырей с активностью центра нашей Галактики, где происходит выделение гигантской энергии в результате приливного разрушения звёзд при падении (аккреции) на центральную чёрную дыру с массой 106 солнечных масс.
Дмитрий Чернышёв, Владимир Догель и их коллеги из Гонконга и Тайваня в предшествующих работах показали, что излучение в пузырях Ферми порождается различными процессами с участием релятивистских электронов, ускоренных ударными волнами, которые образуются при падении звёздного вещества на чёрную дыру. При этом ударные волны должны ускорять также протоны и легкие ядра, составляющие космические лучи. В новой работе, опубликованной в журнале EPJ Web of Conferences, авторы предположили, что гигантские ударные фронты пузырей Ферми способны дополнительно ускорять протоны, испущенные сверхновыми, до энергий существенно выше 1015 эВ.
В предложенном механизме рождённые при взрывах сверхновых частицы с энергиями меньшими 3×1015 эВ, перемещаясь из диска галактики в галактическое гало, дополнительно ускоряются процессами, происходящими в пузырях Ферми. Вычисленное по разработанной модели спектральное распределение космических лучей полностью соответствует наблюдаемому в диапазоне энергий от 3×1015 до 1018 эВ (диапазон «B» на рисунке), что свидетельствует о работоспособности модели.
Спектр в данном случае представляет собой зависимость энергетической яркости, которая характеризует интенсивность (мощность) космических лучей в зависимости от энергии составляющих их частиц. Значение граничной энергии 3×1015 выбрано потому, что при этом значении на графике наблюдается изменение наклона зависимости (так называемое «колено»), что говорит о каких-то изменениях в механизме генерации для более высоких энергий.
Расположение «пузырей Ферми» для нашей Галактики Млечный Путь (вид сбоку). Показаны области рентгеновского (X-ray) и гамма-излучения (Gamma-ray) , а так же положение Солнца (Sun) (Иллюстрация NASA/DOE/Fermi LAT).
Однако времени существования таких ударных волн недостаточно для придания космическим лучам энергии выше 1014–1015 эВ (электронвольт). Для сравнения: в этих пределах находится и энергия ускоренных протонов в Большом адронном коллайдере. Вопрос о природе частиц с энергиями больше 1015 эВ оставался открытым.Исследователи из МФТИ и Физического института имени П.Н. Лебедева РАН совместно с китайскими коллегами разработали модель, позволяющую объяснить природу космических лучей в нашей Галактике в диапазоне энергий от 3×1015 до 1018 эВ, что на два-три порядка выше энергии частиц, рождённых при взрывах сверхновых.
Модель связывает высокоэнергичные космические лучи с открытыми в ноябре 2010 года «пузырями Ферми» – двумя огромными областями в центральной области нашей Галактики, испускающими излучение в гамма- и рентгеновском диапазонах. Эти симметричные относительно плоскости Галактики области простираются на расстояние в 50 тысяч световых лет, что сопоставимо с размером самого Млечного Пути. Позднее команда телескопа «Планк» обнаружила излучение этих структур и в микроволновом диапазоне. Подобные структуры наблюдаются в других галактических системах с активными ядрами.
Природа пузырей Ферми до конца не ясна. Однако их расположение однозначно указывает на связь пузырей с активностью центра нашей Галактики, где происходит выделение гигантской энергии в результате приливного разрушения звёзд при падении (аккреции) на центральную чёрную дыру с массой 106 солнечных масс.
Дмитрий Чернышёв, Владимир Догель и их коллеги из Гонконга и Тайваня в предшествующих работах показали, что излучение в пузырях Ферми порождается различными процессами с участием релятивистских электронов, ускоренных ударными волнами, которые образуются при падении звёздного вещества на чёрную дыру. При этом ударные волны должны ускорять также протоны и легкие ядра, составляющие космические лучи. В новой работе, опубликованной в журнале EPJ Web of Conferences, авторы предположили, что гигантские ударные фронты пузырей Ферми способны дополнительно ускорять протоны, испущенные сверхновыми, до энергий существенно выше 1015 эВ.
В предложенном механизме рождённые при взрывах сверхновых частицы с энергиями меньшими 3×1015 эВ, перемещаясь из диска галактики в галактическое гало, дополнительно ускоряются процессами, происходящими в пузырях Ферми. Вычисленное по разработанной модели спектральное распределение космических лучей полностью соответствует наблюдаемому в диапазоне энергий от 3×1015 до 1018 эВ (диапазон «B» на рисунке), что свидетельствует о работоспособности модели.
Спектр в данном случае представляет собой зависимость энергетической яркости, которая характеризует интенсивность (мощность) космических лучей в зависимости от энергии составляющих их частиц. Значение граничной энергии 3×1015 выбрано потому, что при этом значении на графике наблюдается изменение наклона зависимости (так называемое «колено»), что говорит о каких-то изменениях в механизме генерации для более высоких энергий.
