|
Столетняя загадка космических лучей
|
|
|
|
Когда мы с коллегами приступили к работе над космической загадкой столетней давности, мы неожиданно обнаружили небесную лабораторию в Терзане 5, плотном звездном скоплении, которое в настоящее время несется через нашу галактику с головокружительной скоростью.
|
|
|
|
Эта звездная странность позволила нам изучить поведение космических лучей — частиц высокой энергии, чьи беспорядочные траектории в космосе ставили в тупик астрономов с момента их открытия в 1912 году.
|
|
|
|
Наблюдая за излучением, создаваемым космическими лучами Terzan 5, мы впервые достигли научного результата: измерили, как быстро эти частицы меняют направление из-за колебаний межзвездных магнитных полей. Наше исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.
|
|
Быстро движущееся излучение из космоса
|
|
|
|
Никто не ожидал увидеть там космические лучи. Когда в 1890-х годах впервые была обнаружена радиоактивность, ученые думали, что все источники излучения находятся на Земле.
|
|
|
Но в 1912 году австрийско-американский физик Виктор Гесс измерил уровень радиации в окружающей среде на воздушном шаре на большой высоте и обнаружил, что он был намного выше, чем на уровне земли, даже во время затмения, когда солнце было закрыто. Это означало, что излучение должно было исходить из космоса.
|
|
|
|
Сегодня мы знаем о таинственном излучении, обнаруженном Гессом в виде космических лучей: атомных ядер и элементарных частиц, таких как протоны и электроны, которые каким-то образом были ускорены почти до скорости света. Эти частицы проносятся сквозь межзвездное пространство, и, как обнаружил Хесс, благодаря своей высокой энергии небольшая их часть может проникать в верхние слои атмосферы.
|
|
|
|
Но мы не можем точно сказать, откуда они берутся. Космические лучи - это заряженные частицы, а это значит, что направление их движения меняется, когда они сталкиваются с магнитным полем.
|
|
Статичная картина космоса с космическими лучами
|
|
|
|
Эффект магнитного отклонения обеспечивает базовую технологию для старых мониторов и телевизоров с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), которые используют его для направления электронов к экрану для создания изображения. Межзвездное пространство наполнено магнитными полями, и эти поля постоянно колеблются, отклоняя космические лучи в произвольных направлениях — вроде как сломанный ЭЛТ в старом телевизоре, который показывает только помехи.
|
|
|
|
Таким образом, вместо того, чтобы, подобно свету, направляться прямо к нам от своего источника, космические лучи почти равномерно распространяются по всей галактике. Здесь, на Земле, мы видим, что они распространяются почти одинаково со всех сторон неба.
|
|
|
|
Хотя мы теперь понимаем эту общую картину, большинство деталей упущено. Равномерность распространения космических лучей по небу говорит нам о том, что направления космических лучей меняются случайным образом, но у нас нет надежного способа измерить, насколько быстро происходит этот процесс.
|
|
|
|
Мы также не понимаем, каков основной источник магнитных флуктуаций. По крайней мере, до сих пор мы этого не делали.
|
|
Терзан-5 и смещенные гамма-лучи
|
|
|
|
Вот тут-то и появляется Терзан-5. Это звездное скопление является мощным источником космических лучей, поскольку содержит большое количество быстро вращающихся, невероятно плотных и намагниченных звезд, называемых миллисекундными пульсарами, которые разгоняют космические лучи до чрезвычайно высоких скоростей.
|
|
|
|
Эти космические лучи не достигают Земли полностью из-за колебаний магнитных полей. Однако мы можем видеть явный признак их присутствия: некоторые космические лучи сталкиваются с фотонами звездного света и преобразуют их в высокоэнергетические незаряженные частицы, называемые гамма-лучами.
|
|
|
|
Гамма-лучи движутся в том же направлении, что и космический луч, который их породил, но, в отличие от космических лучей, гамма-лучи не отклоняются магнитными полями. Они могут двигаться по прямой и достигать Земли.
|
|
|
|
Из-за этого эффекта мы часто видим гамма-лучи, исходящие от мощных источников космических лучей. Но на Terzan 5 по какой-то причине гамма-лучи не совсем совпадают с положением звезд. Вместо этого, кажется, что они исходят из области, удаленной примерно на 30 световых лет, где нет очевидного источника.
|
|
"Комета" галактического масштаба
|
|
|
|
Это смещение было необъяснимым с тех пор, как оно было обнаружено в 2011 году, пока мы не нашли объяснение.
|
|
|
|
Сегодня Терзан 5 находится близко к центру нашей галактики, но так будет не всегда. Звездное скопление на самом деле движется по очень широкой орбите, которая большую часть времени удерживает его вдали от плоскости галактики.
|
|
|
|
Так уж получилось, что прямо сейчас оно движется по галактике. Поскольку это падение происходит со скоростью сотни километров в секунду, скопление окутывает себя пеленой магнитных полей, подобно хвосту кометы, несущейся сквозь солнечный ветер.
|
|
|
|
Космические лучи, испускаемые скоплением, первоначально распространяются вдоль хвоста. Мы не видим ни одного из гамма—лучей, которые испускают эти космические лучи, потому что хвост направлен не прямо на нас - эти гамма-лучи направляются вдоль хвоста и удаляются от нас.
|
|
|
|
И вот тут-то и возникают магнитные колебания. Если бы космические лучи оставались на одной линии с хвостом, мы бы никогда их не увидели, но благодаря магнитным флуктуациям их направление начинает меняться.
|
|
|
|
В конце концов, некоторые из них начинают указывать на нас, испуская видимые нами гамма-лучи. Но на это уходит примерно 30 лет, и именно поэтому гамма-лучи, похоже, исходят не от самого скопления.
|
|
|
|
К тому времени, когда на нас будет направлено достаточное количество их гамма-лучей, чтобы их можно было увидеть, они преодолеют расстояние в 30 световых лет в магнитном хвосте скопления.
|
|
Космические лучи и межзвездные магнитные поля
|
|
|
|
Итак, благодаря Terzan 5 мы впервые смогли измерить, сколько времени требуется магнитным колебаниям, чтобы изменить направление космических лучей. Мы можем использовать эту информацию для проверки теорий о том, как работают межзвездные магнитные поля и откуда берутся их колебания.
|
|
|
|
Это делает нас на большой шаг ближе к пониманию таинственного излучения из космоса, обнаруженного Гессом более 100 лет назад.
|
|
|
|
Источник
|
