Астрофизики Мичиганского государственного университета опубликовали новые исследования, которые могут помочь учёным ответить на вопрос, волнующий уже целый век: откуда берутся галактические космические лучи?
Космические лучи — это частицы с высокой энергией, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. Они возникают где-то в галактике Млечный Путь и за её пределами, но точное место их происхождения оставалось загадкой с момента их открытия в 1912 году.
Шуо Чжан, доцент кафедры физики и астрономии Мичиганского государственного университета, и её группа провели два исследования, которые пролили новый свет на вопрос о происхождении космических лучей. Недавно опубликованные результаты были представлены на 246-м заседании Американского астрономического общества в Анкоридже, Аляска.
Источники космических лучей
Источники этих высокоскоростных частиц могут быть связаны с чёрными дырами, остатками сверхновых и областями звездообразования. Эти экстремальные астрофизические события также известны тем, что производят нейтрино — крошечные частицы с почти нулевой массой, которые встречаются в изобилии не только в глубоком космосе, но и на нашей планете.
«Космические лучи имеют гораздо большее отношение к жизни на Земле, чем вы думаете, — говорит Чжан. — Около 100 триллионов космических нейтрино из далёких источников, таких как чёрные дыры, проходят через ваше тело каждую секунду. Разве вы не хотите знать, откуда они взялись?»
Источники космических лучей настолько мощны, что могут ускорять протон или электрон до энергий, намного превышающих те, которые человек способен достичь с помощью самых современных ускорителей частиц. Группа Чжан изучает эти космические ускорители частиц, известные как ПеВатроны, чтобы выяснить, где они находятся, что они из себя представляют и как они способны ускорять мелкие частицы до чрезвычайно высоких энергий.
Изучение ПеВатронов
Последние работы группы Чжан посвящены многоволновым исследованиям кандидатов в ПеВатроны, источники которых оставались неизвестными. В первой статье, опубликованной в The Astrophysical Journal, Стивен ДиКерби, аспирант в группе Чжан, исследовал таинственного кандидата в ПеВатроны, обнаруженного обсерваторией Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO), но природа источника всё ещё оставалась неизвестной.
Используя рентгеновские данные космического телескопа XMM-Newton, ДиКерби обнаружил пульсарную туманность ветра — расширяющийся пузырь с релятивистскими электронами и позициями с энергетической инъекцией от пульсара. Это открытие позволило установить, что данный ПеВатрон относится к типу источников космических лучей — пульсарным туманностям ветра, и является одним из немногих случаев, когда учёные могут определить природу ПеВатронов.
Во второй статье, опубликованной в Research Notes of the AAS, три студента Мичиганского государственного университета в группе Чжан — Элла Вэр, Амири Уокер и Шаан Карим — использовали рентгеновский телескоп NASA Swift для наблюдения рентгеновского излучения из малоизученных источников космических лучей LHAASO. Команда рассчитала верхние пределы рентгеновского излучения, и их работа может служить ориентиром для будущих исследований.
«Благодаря идентификации и классификации источников космических лучей, наши усилия могут, надеюсь, обеспечить всеобъемлющий каталог источников космических лучей с классификацией, — говорит Чжан. — Это может послужить наследием для будущих нейтринных обсерваторий и традиционных телескопов, чтобы провести более глубокие исследования механизмов ускорения частиц».
Далее группа Чжан планирует провести ещё одно исследование источников космических лучей, объединив данные, которые она собирает в обсерватории IceCube Neutrino, с данными рентгеновских и гамма-телескопов. Они хотят выяснить, почему некоторые источники космических лучей испускают нейтрино, а другие — нет, а также где и как эти нейтрино производятся.
«Эта работа потребует сотрудничества между физиками элементарных частиц и астрономами, — говорит Чжан. — Это идеальный проект для группы физики высоких энергий Мичиганского государственного университета».
Michigan State University