Обсерватория HESS расположена в высокогорье Хомас в Намибии на высоте 1835 м под южным небом. Фото предоставлено: Сабина Глоаген
Пять телескопов коллаборации HESS в Намибии используются для изучения космических лучей, особенно гамма-лучей. Используя данные 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 наших космических окрестностях, 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, находящийся, возможно, всего в нескольких тысячах световых лет от нас.
Вселенная является домом для экстремальных условий: от самых низких температур до самых энергетических источников. Экстремальные объекты, такие как остатки сверхновых, пульсары или активные ядра галактик, производят заряженные частицы и гамма-лучи с энергиями, намного превышающими те, которые достигаются в результате тепловых процессов, таких как ядерный синтез в звездах.
В то время как испускаемые гамма-лучи беспрепятственно проходят через пространство, заряженные частицы – или космические лучи – отклоняются вездесущими магнитными полями Вселенной и изотропно достигают Земли со всех направлений. Это означает, что исследователи не могут напрямую сделать вывод о происхождении излучения.
Кроме того, заряженные частицы теряют энергию при взаимодействии со светом и магнитными полями. Эти потери особенно велики для наиболее энергичных электронов и позитронов (положительно заряженных античастиц электрона) с энергиями выше отметки тераэлектронвольт.
Когда инструменты на Земле измеряют заряженные космические частицы такой высокой энергии, это означает, что они не могли путешествовать далеко. Это предполагает существование мощных природных ускорителей частиц вблизи нашей Солнечной системы.
Излом в спектре раскрывает причину
В новом анализе ученые из коллаборации HESS впервые сузили вопрос о том, откуда берутся эти космические частицы. Отправной точкой анализа является измерение спектра космического излучения, т.е. энергетического распределения измеряемых электронов и позитронов. Анализ основан на 10-летних наблюдениях, что гарантирует высокое качество данных. Интегральный электронный спектр простирается до десятков тераэлектронвольт.
Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
«Наши измерения не только предоставляют данные в важной и ранее неисследованной области энергетики, которая влияет на наше понимание местного окружения, но также, вероятно, останется эталоном на долгие годы», — говорит Вернер Хофманн из Института физики ядерной энергии Макса Планка. в Гейдельберге.
В спектре, характеризующемся сравнительно небольшими погрешностями для ТэВных энергий, наблюдается заметный излом в районе одного тераэлектронвольта. Как выше, так и ниже этого разрыва спектр подчиняется степенному закону без каких-либо дальнейших аномалий.
Набег через галактику
Чтобы выяснить, какой астрофизический процесс ускорил электроны до таких высоких энергий и откуда взялся излом, исследователи сравнили эти данные с предсказаниями модели. Кандидатами в источники являются пульсары, остатки звезд с сильными магнитными полями. Некоторые пульсары выбрасывают в свое окружение ветер из заряженных частиц, и фронт магнитной ударной волны этого ветра может быть местом, где частицы получают импульс.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
То же самое относится и к ударным фронтам от остатков сверхновых. Компьютерные модели показывают, что ускоренные таким образом электроны мигрируют в космос с определенным распределением энергии. Эти модели отслеживают движение электронов и позитронов по Млечному Пути и рассчитывают, как меняется их энергия при взаимодействии с магнитными полями и светом в Млечном Пути.
Частицы теряют так много энергии, что их первоначальный энергетический спектр искажается. На последнем этапе астрофизики пытаются подогнать свою модель к данным, чтобы узнать больше о природе астрофизических источников.
Но какой объект выбрасывал в космос электроны, которые измеряли телескопы? Спектр частиц с энергиями ниже одного тераэлектронвольта, вероятно, состоит из электронов и позитронов различных пульсаров или остатков сверхновых.
Однако при более высоких энергиях возникает другая картина: примерно с одного тераэлектронвольта энергетический спектр резко падает. Это подтверждают и модели, изучающие частицы, ускоренные астрономическими источниками, и их диффузию через галактическое магнитное поле. Этот переход при тераэлектронвольте особенно выражен и исключительно резок.
«Это важный результат, поскольку мы можем заключить, что измеренные электроны, скорее всего, происходят из очень небольшого числа источников вблизи нашей Солнечной системы, максимум на расстоянии нескольких тысяч световых лет», — говорит Кэтрин Эгбертс из Потсдамского университета. Это расстояние относительно невелико по сравнению с размером Млечного Пути.
«Источники на разных расстояниях значительно размоют этот излом», — продолжает Эгбертс.
По мнению Хофмана, даже один-единственный пульсар может отвечать за электронный спектр при высоких энергиях. Однако неясно, какой именно. Поскольку источник должен находиться очень близко, возможны только несколько пульсаров.
Информация от: Обществом Макса Планка.
