Когда мы с коллегами намеревались разгадать многовековую космическую загадку, мы обнаружили неожиданную небесную лабораторию в Терзане 5, плотном звездном скоплении, которое в настоящее время мчится через нашу галактику с головокружительной скоростью.
Эта звездная странность позволила нам изучить поведение космических лучей — частиц высокой энергии, чьи нерегулярные орбиты в космосе озадачивали астрономов с момента их открытия в 1912 году.
Наблюдая за космическими лучами с Терзана-5, мы добились научного открытия: измерили, насколько быстро эти частицы меняют направление из-за флуктуаций межзвездного магнитного поля. Результаты нашего исследования были опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Быстрое излучение из космоса
Никто не ожидал космических лучей. Когда радиоактивность была впервые обнаружена в 1890-х годах, учёные думали, что все источники радиации находятся на Земле.
Но в 1912 году австрийско-американский физик Виктор Гесс измерил окружающее излучение на высотном шаре и обнаружил, что оно намного выше, чем на земле, даже во время солнечного затмения, при котором Солнце было скрыто. Это означало, что излучение должно было прийти из космоса.
Сегодня мы знаем загадочное излучение, открытое Гессом, как космические лучи: атомные ядра и элементарные частицы, такие как протоны и электроны, которые каким-то образом были ускорены почти до скорости света. Эти частицы мчатся через межзвездное пространство, и благодаря их высокой энергии небольшая часть из них может проникать в верхние слои атмосферы, как обнаружил Гесс.
Однако не так-то просто сказать, откуда они взялись. Космические лучи — это заряженные частицы, а это значит, что направление их движения меняется, когда они сталкиваются с магнитным полем.
Статическое изображение космоса космических лучей
Эффект магнитного отклонения является базовой технологией для старых мониторов и телевизоров с электронно-лучевой трубкой. Они используют его для направления электронов на экран и таким образом создания изображения. Межзвездное пространство наполнено магнитными полями, и эти поля постоянно колеблются, отклоняя космические лучи в случайных направлениях — очень похоже на сломанную электронно-лучевую трубку в старом телевизоре, который показывает только статические помехи.
Вместо того, чтобы космические лучи приходили к нам прямо от своего источника, как свет, они почти равномерно распределяются по галактике. Здесь, на Земле, мы видим, что оно приходит почти одинаково со всех сторон.
Хотя теперь мы понимаем эту общую картину, нам не хватает большинства деталей. Однородность космических лучей в небе говорит нам о том, что направление космических лучей меняется случайным образом, но у нас нет хорошего способа измерить, насколько быстро происходит этот процесс.
Истинная причина магнитных флуктуаций нам также неизвестна. По крайней мере, мы этого не знали до сих пор.
Терзан-5 и сдвинутые гамма-лучи
Именно здесь в игру вступает Терзан 5. Это звездное скопление является богатым источником космических лучей, поскольку оно содержит большое количество быстро вращающихся, невероятно плотных и намагниченных звезд, называемых миллисекундными пульсарами, которые ускоряют космические лучи до чрезвычайно высоких скоростей.
Из-за колебаний магнитных полей эти космические лучи не достигают Земли. Однако мы можем видеть явный признак их присутствия: некоторые космические лучи сталкиваются с фотонами звездного света, превращая их в энергичные незаряженные частицы, называемые гамма-лучами.
Гамма-лучи движутся в том же направлении, что и создавшие их космические лучи. В отличие от них, гамма-лучи не отклоняются магнитными полями. Они могут двигаться по прямой и достигать земли.
Из-за этого эффекта мы часто видим гамма-лучи от мощных источников космических лучей. Но в Терзане-5 по какой-то причине гамма-лучи не совсем совпадают с положением звезд. Вместо этого они, похоже, происходят из региона на расстоянии около 30 световых лет от Земли без очевидного источника.
«Комета» галактических размеров
Этот сдвиг вызывал необъяснимое любопытство с момента его открытия в 2011 году, пока мы не нашли объяснение.
Терзан 5 сейчас находится недалеко от центра нашей галактики, но это не всегда так. Звездное скопление на самом деле движется по очень широкой орбите, из-за чего большую часть времени оно находится далеко от плоскости галактики.
Просто он сейчас мчится по галактике. Поскольку это падение происходит со скоростью сотни километров в секунду, скопление окутывает себя мантией магнитных полей, подобно хвосту кометы, проносящейся сквозь солнечный ветер.
Космические лучи, испускаемые скоплением, первоначально движутся вдоль хвоста. Мы не видим гамма-лучи, производимые этими космическими лучами, потому что хвост не направлен прямо на нас — эти гамма-лучи излучаются вдоль хвоста и от нас.
И здесь в игру вступают магнитные флуктуации. Если бы космические лучи оставались точно на одной линии с хвостом, мы бы их никогда не увидели, но из-за магнитных флуктуаций их направления начинают меняться.
В какой-то момент некоторые из них сосредоточатся на нас и начнут излучать видимые гамма-лучи. Однако на это уходит около 30 лет, поэтому гамма-лучи, судя по всему, исходят не от самого скопления.
К тому времени, когда достаточное количество из них будет направлено на нас и их гамма-лучи станут достаточно яркими, чтобы их можно было увидеть, они уже пройдут 30 световых лет в магнитном хвосте скопления.
Космические лучи и межзвездные магнитные поля
Благодаря Терзану-5 мы впервые смогли измерить, сколько времени требуется магнитным флуктуациям, чтобы изменить направление космических лучей. Мы можем использовать эту информацию для проверки теорий о том, как работают межзвездные магнитные поля и причины их колебаний.
Это приближает нас на большой шаг к пониманию загадочного космического излучения, которое Гесс обнаружил более 100 лет назад.
Информация от: Разговором
