Астрофизики проявляют интерес к космическим лучам, чья энергия превышает энергию лучей, возникающих при взрывах сверхновых, на два-три порядка. В современных моделях происхождения этих лучей ключевую роль играют недавно обнаруженные гигантские структуры — пузыри Ферми.
Российские и китайские ученые создали модель, которая позволяет объяснить происхождение высокоэнергетичных космических лучей в нашей Галактике. Эти космические лучи, привлекшие внимание астрофизиков, обладают энергией, превышающую энергию, генерируемую взрывами сверхновых, на два-три порядка. В предложенной ими модели ключевую роль играют недавно обнаруженные гигантские структуры — пузыри Ферми. Результаты исследования были опубликованы в журнале EPJ Web of Conferences.
Ключевой сложностью в понимании возникновения космических лучей (высокоэнергетичных протонов и атомных ядер) служит вопрос о механизме, посредством которого они приобретают столь высокую энергию. Решение этой задачи было предложено Виталием Гинзбургом и Сергеем Сыроватским, которые в 1960-х годах высказали гипотезу о том, что космические лучи образуются в результате взрывов сверхновых звезд в галактике. Более конкретный механизм ускорения заряженных частиц, происходящий на ударных волнах сверхновых, был разработан Гермогеном Крымским и его соавторами в 1977 году. Тем не менее, из-за относительно короткого периода существования этих ударных волн, максимальная энергия ускоряемых частиц не может превышать примерно 1014–1015 эВ (электронвольт).
Вопрос о природе частиц, обладающих энергиями свыше 10¹⁵ эВ, остается открытым. Существенный прогресс в изучении механизмов ускорения таких частиц был достигнут благодаря космическому гамма-телескопу «Ферми», который в ноябре 2010 года зафиксировал две масштабные структуры в центре нашей Галактики, излучающие в гамма- и рентгеновском (микроволновом) спектрах. Обнаруженные структуры имеют симметричную вытянутую форму, ориентированную перпендикулярно плоскости Галактики относительно ее центра, и простираются на 50 тысяч световых лет – величине, сопоставимой с диаметром диска Млечного Пути. Эти структуры получили название «пузырей Ферми». В дальнейшем излучение этих структур в микроволновом диапазоне было зарегистрировано командой телескопа «Планк.
Несмотря на то, что природа пузырей Ферми до конца не выяснена, их расположение в пространстве четко свидетельствует об их связи с активностью центра Галактики. Предполагается, что именно там находится сверхмассивная черная дыра, масса которой эквивалентна 106 солнечных масс. Современные теоретические модели объясняют возникновение этих пузырей процессами звездообразования и выделением огромного количества энергии в центре Галактики, вызванным разрушением звезд под действием приливных сил при их поглощении черной дырой. Аналогичные структуры наблюдаются не только в нашей Галактике, но и в других галактических системах, характеризующихся активными ядрами.
Дмитрий Чернышёв (выпускник МФТИ), Владимир Догель (сотрудник МФТИ) и их коллеги из Гонконга и Тайваня представили серию публикаций, в которых исследуется природа пузырей Ферми. В этих работах показано, что гамма- и микроволновое излучение, наблюдаемое в этих областях, возникает в результате различных процессов, связанных с релятивистскими электронами. Ударные волны, формирующиеся при аккреции вещества звезды на черную дыру, являются причиной ускорения этих электронов. Согласно выводам авторов, ударные волны также должны ускорять протоны и ядра. Однако, в отличие от электронов, релятивистские протоны, из-за большей массы, практически не теряют энергию в гало и способны распространяться на большие расстояния, занимая значительный объем Галактики. Авторы предполагают, что масштабные ударные фронты, формирующие пузыри Ферми, способны дополнительно разгонять протоны, возникшие в результате взрывов сверхновых, до энергий, превышающих 10¹⁵ эВ.
Исследования процессов дополнительного ускорения космических лучей указывают на то, что пузыри Ферми могут быть причиной формирования спектра космических лучей с энергиями, превышающими так называемый порог «колена», который соответствует 3×1015 эВ (область энергий «B» на рисунке 2). К слову, энергия протонов, ускоряемых в Большом адронном коллайдере, также составляет около 1015 эВ.
«Предложенная нами модель позволяет объяснить распределение энергии в наблюдаемом потоке космических лучей. Описанные нами процессы способны дополнительно ускорять галактические космические лучи, возникающие при взрывах сверхновых. Поскольку время жизни протонов значительно больше, чем у электронов, протоны, ускоренные в пузырях Ферми, могут распространиться по всему объему Галактики и, таким образом, могут быть зарегистрированы на Земле. В рамках нашей модели мы исходим из того, что космические лучи, состоящие из высокоэнергетичных протонов и ядер, с энергией, не превышающей 10¹⁵ эВ (ниже по энергии уровня „колена“ наблюдаемого спектра), возникают при взрывах сверхновых, расположенных в диске Галактики. Эти космические лучи дополнительно ускоряются в пузырях Ферми до энергий, превышающих 10¹⁵ эВ (выше „колена“). Итоговое распределение космических лучей показано на спектральной диаграмме, — отмечает Владимир Догель.
Авторам работы удалось объяснить особенности спектра космических лучей в диапазоне энергий от 3×1015 до 1018 эВ (диапазон «B» на рисунке 2). Было показано, что частицы, возникшие при взрывах сверхновых и соответствующие энергиям менее 3×1015 эВ, в процессе перемещения из диска Галактики в галактическое гало, подвергаются дополнительному ускорению в пузырях Ферми. Использование адекватных параметров модели, описывающей ускорение частиц в Фермиевских пузырях, позволяет объяснить природу спектра космических лучей с энергией выше 3×1015 эВ. При этом спектр ниже этого уровня не изменяется. Следовательно, разработанная модель обеспечивает получение спектрального распределения космических лучей, которое полностью соответствует наблюдаемым данным.