Физики поняли природу очень энергичных космических лучей, возникающих в нашей Галактике.

Космическими лучами называют высокоэнергичные элементарные частицы и ядра легких элементов, прилетающие к нам из глубокого космоса. Они несут информацию о наиболее энергичных событиях и активных объектах во Вселенной: ядрах галактик, взрывах сверхновых, релятивистских струях вещества – джетах и многом другом. Возможно, когда-нибудь они прольют свет и на тайны темной материи и отсутствия антиматерии во Вселенной.

Расположение «пузырей Ферми» для нашей Галактики Млечный Путь (вид сбоку). Показаны области рентгеновского (X-ray) и гамма-излучения (Gamma-ray) , а так же положение Солнца (Sun) (Иллюстрация NASA/DOE/Fermi LAT).

Спектр космических лучей (по горизонтальной оси отложена энергия частиц в эВ, по вертикальной — энергетическая яркость). Точки – наблюдательные данные, чёрная линия — результат моделирования. В исследовании рассмотрен диапазон В.

Одна из главных проблем теории происхождения космических лучей – механизм их ускорения. В 60-х годах прошлого века физики-теоретики Виталий Лазаревич Гинзбург и Сергей Иванович Сыроватский (ФИАН) предположили, что космические лучи могут возникать при взрывах сверхновых звёзд. Конкретный механизм ускорения заряженных частиц на возникающих при этом ударных волнах предложил Гермоген Филиппович Крымский с коллегами  (Институт космофизических исследований и аэрономии ЯНЦ СО РАН) в 1977 году. Однако времени существования таких ударных волн недостаточно для придания космическим лучам энергии выше 10¹⁴–10¹⁵ эВ (электронвольт). Для сравнения: в этих пределах находится и энергия ускоренных протонов в Большом адронном коллайдере. Вопрос о природе частиц с энергиями больше 10¹⁵ эВ оставался открытым.

Исследователи из МФТИ и Физического института имени П.Н. Лебедева РАН совместно с китайскими коллегами разработали модель, позволяющую объяснить природу космических лучей в нашей Галактике в диапазоне энергий от 3×10¹⁵ до 10¹⁸ эВ, что на два-три порядка выше энергии частиц, рождённых при взрывах сверхновых.

Модель связывает высокоэнергичные космические лучи с открытыми в ноябре 2010 года  «пузырями Ферми» – двумя огромными областями в центральной области нашей Галактики, испускающими излучение в гамма- и рентгеновском диапазонах. Эти симметричные относительно плоскости Галактики области простираются на расстояние в 50 тысяч световых лет, что сопоставимо с размером самого Млечного Пути. Позднее команда телескопа «Планк» обнаружила излучение этих структур и в микроволновом диапазоне. Подобные структуры наблюдаются в других галактических системах с активными ядрами.

Природа пузырей Ферми до конца не ясна. Однако их расположение однозначно указывает на связь пузырей с активностью центра нашей Галактики, где происходит выделение гигантской энергии в результате приливного разрушения звёзд при падении (аккреции) на центральную чёрную дыру с массой 10⁶ солнечных масс.

Дмитрий Чернышёв, Владимир Догель и их коллеги из Гонконга и Тайваня в предшествующих работах показали, что излучение в пузырях Ферми порождается различными процессами с участием релятивистских электронов, ускоренных ударными волнами, которые образуются при падении звёздного вещества на чёрную дыру. При этом ударные волны должны ускорять также протоны и легкие ядра, составляющие космические лучи. В новой работе, опубликованной в журнале EPJ Web of Conferences, авторы предположили, что гигантские ударные фронты пузырей Ферми способны дополнительно ускорять протоны, испущенные сверхновыми, до энергий существенно выше 10¹⁵ эВ.

В предложенном механизме рождённые при взрывах сверхновых частицы с  энергиями меньшими 3×10¹⁵ эВ, перемещаясь из диска галактики в галактическое гало, дополнительно ускоряются процессами, происходящими в пузырях Ферми. Вычисленное по разработанной модели спектральное распределение космических лучей полностью соответствует наблюдаемому в диапазоне энергий от 3×10¹⁵ до 10¹⁸ эВ (диапазон «B» на рисунке), что свидетельствует о работоспособности модели.

Спектр в данном случае представляет собой зависимость энергетической яркости, которая характеризует интенсивность (мощность) космических лучей в зависимости от энергии составляющих их частиц. Значение граничной энергии 3×10¹⁵ выбрано потому, что при этом значении на графике наблюдается изменение наклона зависимости (так называемое «колено»), что говорит о каких-то изменениях в механизме генерации для более высоких энергий.

По материалам МФТИ