|
Космические электроны с самыми высокими энергиями
|
|
|
|
Пять телескопов коллаборации H.E.S.S. в Намибии используются для изучения космического излучения, особенно гамма-излучения. Благодаря данным, полученным за 10 лет наблюдений, исследователи теперь смогли обнаружить космические электроны и позитроны с беспрецедентной энергией - более 10 тераэлектронвольт.
|
|
|
|
Поскольку заряженные частицы отклоняются во всех направлениях магнитными полями в нашем космическом окружении, трудно определить их происхождение. Однако на этот раз выдающееся качество измеренного энергетического спектра частиц вплоть до самых высоких значений энергии открывает новые возможности: ученые подозревают, что источником может быть пульсар, который может находиться на расстоянии не более нескольких тысяч световых лет от нас.
|
|
|
|
Во Вселенной существуют экстремальные условия, от самых низких температур до источников с высокой энергией. Экстремальные объекты, такие как остатки сверхновых, пульсары или активные ядра галактик, производят заряженные частицы и гамма-излучение с энергией, намного превышающей ту, которая достигается при тепловых процессах, таких как ядерный синтез в звездах.
|
|
|
|
В то время как испускаемые гамма-лучи беспрепятственно пересекают космическое пространство, заряженные частицы — или космические лучи — отклоняются вездесущими магнитными полями Вселенной и достигают Земли изотропно со всех сторон. Это означает, что исследователи не могут напрямую определить источник излучения.
|
|
|
|
|
|
|
Кроме того, заряженные частицы теряют энергию в результате взаимодействия со светом и магнитными полями. Эти потери особенно велики для наиболее энергичных электронов и позитронов (положительно заряженных античастиц электрона) с энергией выше тераэлектронвольтной отметки.
|
|
|
|
Когда приборы на Земле измеряют заряженные космические частицы таких высоких энергий, это означает, что они не могли улететь далеко. Это указывает на существование мощных природных ускорителей частиц вблизи нашей Солнечной системы.
|
|
Излом в спектре указывает на происхождение
|
|
|
|
В ходе нового анализа ученые из коллаборации H.E.S.S. впервые определили, откуда берутся эти космические частицы. Отправной точкой анализа является измерение спектра космических лучей, то есть распределение энергии измеренных электронов и позитронов. Анализ основан на 10-летних наблюдениях, что гарантирует высокое качество данных. Интегральный электронный спектр достигает нескольких десятков тераэлектронвольт.
|
|
|
|
Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
|
|
|
|
"Наши измерения не только дают данные в важнейшем и ранее неисследованном диапазоне энергий, влияющем на наше понимание окружающей среды, но и, вероятно, останутся эталоном на ближайшие годы", - говорит Вернер Хофманн из Института ядерной физики имени Макса Планка в Гейдельберге.
|
|
|
|
В спектре, который характеризуется сравнительно небольшими полосами погрешностей при энергиях в ТэВ, бросается в глаза заметный излом на уровне около одного тераэлектронвольта. Как выше, так и ниже этого излома спектр соответствует степенному закону без каких-либо дополнительных аномалий.
|
|
Блуждание по галактике
|
|
|
|
Чтобы выяснить, какой астрофизический процесс привел к ускорению электронов до таких высоких энергий и каково происхождение такого излома, исследователи сравнили эти данные с предсказаниями моделей. Вероятными источниками являются пульсары, которые представляют собой остатки звезд с сильными магнитными полями. Некоторые пульсары выбрасывают в окружающую среду поток заряженных частиц, и фронт магнитного удара этого ветра может быть тем местом, где частицы испытывают ускорение.
|
|
|
|
То же самое относится к ударным фронтам остатков сверхновых. Компьютерные модели показывают, что ускоренные таким образом электроны улетают в космос с определенным распределением энергии. Эти модели отслеживают движение электронов и позитронов по Млечному Пути и рассчитывают, как изменяется их энергия при взаимодействии с магнитными полями и светом в Млечном Пути.
|
|
|
|
В процессе частицы теряют так много энергии, что их первоначальный энергетический спектр искажается. На заключительном этапе астрофизики пытаются согласовать свою модель с полученными данными, чтобы узнать больше о природе астрофизических источников.
|
|
|
|
Но какой объект выбросил в космос электроны, зафиксированные телескопами? Спектр частиц с энергиями менее одного тераэлектронвольта, вероятно, состоит из электронов и позитронов от различных пульсаров или остатков сверхновых.
|
|
|
|
Однако при более высоких энергиях возникает иная картина: энергетический спектр резко падает примерно с одного тераэлектронвольта. Это также подтверждается моделями, которые изучают частицы, ускоряемые астрономическими источниками, и их распространение через магнитное поле галактики. Этот переход на уровне одного тераэлектронвольта особенно выражен и исключительно резок.
|
|
|
|
"Это важный результат, поскольку мы можем заключить, что измеренные электроны, скорее всего, происходят из очень небольшого числа источников в окрестностях нашей Солнечной системы, расположенных максимум на расстоянии нескольких тысяч световых лет", - говорит Кэтрин Эгбертс из Потсдамского университета. Это расстояние относительно невелико по сравнению с размерами Млечного Пути.
|
|
|
|
"Источники на разных расстояниях значительно сгладили бы этот излом", - продолжает Эгбертс.
|
|
|
|
По словам Хофмана, даже один пульсар может быть ответственен за спектр электронов при высоких энергиях. Однако неясно, какой именно. Поскольку источник должен находиться очень близко, под сомнение ставится лишь несколько пульсаров.
|
|
|
|
Источник
|
