Астрофизикам удалось объяснить загадочное поведение космических лучей

Группа учёных 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 рождённые 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 решён Виталием Гинзбургом и Сергеем Сыроватским, которые в 60-х годах прошлого века предположили, что космические лучи генерируются взрывами сверхновых звёзд 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 Ферми в ноябре 2010 года двух гигантских структур в центральной области нашей галактики, испускающих излучение в гамма- и рентгеновском (микроволновом) диапазонах. Обнаруженные структуры симметрично вытянуты перпендикулярно плоскости галактики относительно её 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 «Планк» обнаружила излучение этих структур в микроволновом диапазоне.


Рис. 1. Иллюстрация пузырей рентгеновского/гамма-излучения галактики Млечный Путь ( NASA )


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


Дмитрий Чернышёв (выпускник МФТИ), Владимир Догель (сотрудник МФТИ) и их коллеги из Гонконга и Тайваня опубликовали серию статей, посвящённых 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 звёздного вещества на чёрную 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 объём 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.

Рис. 2. Спектральная диаграмма космических лучей, детектируемых на Земле (по горизонтальной оси отложена энергия в эВ, по вертикальной — энергетическая яркость в эВ×м-2×с-1×ср-1). Точками представлены наблюдательные данные, сплошной чёрной линией — спектр, полученный в рамках представленной модели.



«Предложенная нами модель позволяет объяснить спектральное распределение наблюдаемого потока космических лучей. Можно сказать, что описанные нами процессы способны дополнительно ускорить галактические космические лучи, рождённые при взрывах сверхновых. Поскольку, в отличие от электронов, протоны имеют существенно большее время жизни, протоны, ускоренные в пузырях Ферми, способны заполнить весь объём 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 рождённые 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.
 
По теме
 
Знания. Технологии. Тенденции развития индустрии туризма в Российской Федерации. - РГУТиС 12-15 июня 2018 года в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Российский государственный университет туризма и сервиса» совместно с Торгово-промышленной палатой Российской Ф
18.06.2018
Для студентов и выпускников Ступинского филиала Московского областного медицинского колледжа № 2 наступает ответственная пора: 15 июня началась сессии и 18 июня стартует защита выпускных квалификационных работ,
18.06.2018
 
Встреча выпускников и студентов старших курсов Государственного социально-гуманитарного университета - Администрация г. Домодедово 15 июня в МАУ ДПО «Центр развития образования» состоялась встреча выпускников и студентов старших курсов Государственного социально-гуманитарного университета – будущих педагогов – с руководством Управления образования,
18.06.2018 Администрация г. Домодедово
Одиннадцатиклассники в понедельник будут сдавать единый госэкзамен по биологии и иностранным языкам, биологию выбрали более 20% выпускников, сообщается на официальном информационном портале Единого государственного экзамена.
18.06.2018 Газета Ключ
Замминистра обороны Николай Панков заявил, что планы оборонного ведомства по замене военных кафедр в вузах на унифицированные военные учебные центры не повлияют на военную подготовку студентов,
18.06.2018 Газета Новые Известия
Единая Дежурная Диспетчерская служба, ЕДДС, 112, безопасность, чп, чрезвычайное происшествие С 4 по 12 июня по линии Единой Дежурной Диспетчерской службы городского округа Ступино на номер «112» поступило 3444 звонков.
15.06.2018 Ступинская панорама
Прогулки с Татьяной Алексеевой: Выходной день - Орехово-Зуевская правда Пейзажи окрестностей Орехово-Зуева, сделанные известным орехово-зуевским фотографом Татьяной Алексеевой в эти июньские выходные Татьяна Алексеева Татьяна Алексеева Татьяна Алексеева Татьяна Алексеева Татья
18.06.2018 Орехово-Зуевская правда
БЕЛЫЕ АКАЦИИ И ЛЕТАЮЩИЕ КНИГИ - МГИК ЛИТО «Точки» А. В. Воронцова на Международной книжной выставке в Чехии   Литературное объединение «Точки» при Совете по прозе Союза писателей России, возглавляемое писателем,
18.06.2018 МГИК
XV Коломенская регата по академической гребле - Комитет по физической культуре и спорту 15-17 июня 2018 года на гребной базе СШОР по академической гребле прошла «ХV Коломенская регата по академической гребле среди юношей и девушек посвященная коломенцам, погибшим в локальных войнах и военных конфликтах».
18.06.2018 Комитет по физической культуре и спорту
Спорт как жизнь - Газета Родник Уютная квартира, на стенах медали и фото любимых учеников. Сразу понятно, что тут живет семья спортсменов.Отец и дочь успешно продолжают карьеру своегодеда-тренируют будущих чемпионов.
18.06.2018 Газета Родник
Клуб «Waraxe» присоединился к ОД «Русский характер» - Люберецкая панорама ЛЮБЕРЦЫ. 17 июня. INLUBERTSY.RU - К Люберецкому ОД «Русский характер» присоединился легендарный клуб по самообороне и ножевому бою «Waraxe» в лице своего руководителя Сергея Гуленкова, сообщает Люберецкое информагентство.
17.06.2018 Люберецкая панорама
Золотые знаки и удостоверения Комплекса ГТО вручили 14 июня в универсальном зале ФСК «Салют» выпускникам, которые выполнили все испытания.
18.06.2018 Долгие Пруды
Инсталляцию в виде футбольного мяча диаметром семь метров покажут посетителям музея «Новый Иерусалим» в Истре, арт-объект откроется 19 июня и будет доступен до 15 июля,
18.06.2018 Звенигородские ведомости
Совещание с запредами правительства 18 июня 2018 - Правительство Московской области Источник: Пресс-служба Губернатора Московской области, Антон Чернов Губернатор Подмосковья Андрей Воробьев на совещании с руководящим составом правительства Московской области в понедельник поручил продолжить работу п
18.06.2018 Правительство Московской области