Свежее исследование астрофизиков из Университета штата Мичиган приближает нас к разгадке столетней тайны: откуда берутся галактические космические лучи?

Результаты опубликованы в издании The Astrophysical Journal.

Эти частицы, летящие почти со скоростью света, приходят из глубин Млечного Пути и дальнего космоса, но их точное происхождение остается загадкой с момента открытия в 1912 году. Группа ученых под руководством Шо Чжан, доцента физики и астрономии, провела два исследования, которые проливают свет на возможные источники космических лучей. Результаты представили на 246-й встрече Американского астрономического общества в Анкоридже.

Источники этих частиц могут скрываться в черных дырах, остатках сверхновых и зонах звездообразования. Эти экстремальные космические явления также производят нейтрино — крошечные, почти невесомые частицы, которые пронизывают не только космос, но и наши тела.

Космические лучи влияют на нас больше, чем кажется, — говорит Чжан. — Каждую секунду через вас проходят триллионы нейтрино из далеких источников вроде черных дыр. Разве вам не интересно, откуда они?

Источники космических лучей настолько мощные, что разгоняют протоны и электроны до энергий, недостижимых даже для самых современных ускорителей. Группа Чжан изучает эти природные ускорители, называемые ПэВатронами, чтобы понять, где они находятся, как работают и почему способны придавать частицам колоссальную энергию.

Это поможет ответить на фундаментальные вопросы физики — например, о формировании галактик и природе темной материи.

ПэВатроны — это природные ускорители частиц, способные разгонять протоны и электроны до энергий в петаэлектронвольты (ПэВ), что в миллионы раз мощнее, чем в Большом адронном коллайдере. Они могут находиться в остатках сверхновых, активных ядрах галактик или туманностях пульсарного ветра.

В первой статье Стивен ДиКерби, постдок из группы Чжан, исследовал загадочный источник космических лучей, обнаруженный обсерваторией LHAASO. Используя данные рентгеновского телескопа XMM-Newton, он выяснил, что это туманность пульсарного ветра — расширяющийся пузырь, наполненный частицами, которые разгоняются энергией пульсара. Это редкий случай, когда ученые смогли точно определить природу ПэВатрона.

Во второй работе трое студентов — Элла Уэр, Амири Уокер и Шаан Карим — анализировали данные рентгеновского телескопа Swift. Они измерили пределы рентгеновского излучения от малоизученных источников LHAASO, заложив основу для будущих исследований.

Мы хотим создать каталог источников космических лучей с классификацией, — объясняет Чжан. — Это поможет нейтринным обсерваториям и телескопам глубже изучить механизмы ускорения частиц.

Следующий шаг — объединить данные IceCube Neutrino Observatory с наблюдениями рентгеновских и гамма-телескопов. Ученые хотят выяснить, почему одни источники испускают нейтрино, а другие нет, и как именно они их производят.

Эта работа потребует сотрудничества физиков и астрономов, — говорит Чжан. — Идеальный проект для нашей команды.

Это исследование приближает нас к пониманию фундаментальных процессов во Вселенной. Если мы сможем точно определить источники космических лучей, это даст:

• Новые данные о темной материи — некоторые теории связывают ее с высокоэнергетическими частицами.
• Развитие технологий — принципы ускорения частиц в природе могут помочь улучшить земные ускорители.
• Прогнозирование космической погоды — мощные выбросы частиц влияют на спутники и астронавтов.

Но главное — это шаг к разгадке того, как устроена Вселенная на самых экстремальных масштабах.

Основная слабость исследования — пока что слишком мало подтвержденных источников космических лучей. Большинство данных основаны на косвенных наблюдениях, а не на прямом детектировании. Кроме того, нейтрино крайне сложно зафиксировать, и их связь с конкретными астрофизическими объектами требует дополнительных доказательств.

Ранее ученые разгадали тайну горячих ядер галактических скоплений.