Исследование обнаружило убедительные доказательства существования локальных источников электронов космических лучей

Новое исследование с использованием данных прибора CALorimetric Electron Telescope (CALET) на Международной космической станции обнаружило доказательства наличия близлежащих молодых источников электронов космических лучей, что способствует лучшему пониманию того, как функционирует галактика в целом.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Исследование включало более 7 миллионов точек данных, представляющих частицы, поступающие в детектор CALET с 2015 года, а способность CALET обнаруживать электроны при самых высоких энергиях уникальна. В результате данные включают больше электронов при высоких энергиях, чем любая предыдущая работа. Это делает статистический анализ данных более надежным и подтверждает вывод о том, что существует один или несколько локальных источников электронов космических лучей.

«Это одна из главных вещей, которую CALET должна искать», — говорит Николас Каннади, помощник научного сотрудника Центра космических наук и технологий UMBC, партнерства с Центром космических полетов имени Годдарда НАСА, и руководитель исследования. В этой статье он добавляет: «Мы действительно смогли прорваться в область, где у нас мало событий, и начать искать вещи при самых высоких энергиях, и это очень интересно».

Лучшее понимание галактики

Современная теория утверждает, что последствия сверхновых (взрывающихся звезд), называемые остатками сверхновых, производят электроны высокой энергии, которые представляют собой особый тип космических лучей. Электроны очень быстро теряют энергию после того, как покидают свой источник, поэтому считается, что редкие электроны, прибывающие в CALET с высокой энергией, происходят из остатков сверхновых, которые находятся относительно близко (в космическом масштабе), объясняет Каннади.

Результаты исследования являются «сильным индикатором того, что парадигма, которую мы имеем для понимания этих высокоэнергетических электронов — что они происходят из остатков сверхновых и что они ускоряются так, как мы думаем, — верна», — говорит Каннади. Полученные результаты «дают представление о том, что происходит в этих остатках сверхновых, и предлагают способ лучше понять галактику и эти источники в галактике».

CALET — это совместный проект, созданный и управляемый группами из Японии, Италии и США под руководством Сёдзи Тории. Ведущими участниками этой работы в Японии являются Тории, Ёсуи Акаике и Хольгер Моц из Университета Васэда в Токио, а Университет штата Луизиана является ведущим учреждением в США.

Новые данные ведут к появлению новых источников космических лучей

Предыдущая работа показала, что количество электронов, прибывающих в CALET, неуклонно уменьшалось по мере увеличения энергии примерно до 1 теравольта (ТэВ), или 1 триллиона электронвольт. Число электронов, прилетевших с еще большей энергией, было чрезвычайно мало. Но в этом исследовании CALET не увидел ожидаемого снижения. Вместо этого результаты показывают, что количество частиц стабилизируется, а затем даже увеличивается при самых высоких энергиях — в некоторых случаях вплоть до 10 ТэВ.

Предыдущие эксперименты могли измерять только частицы с энергией до 4 ТэВ, поэтому кандидаты на события с самой высокой энергией выше этого в этом исследовании являются важным новым источником информации о потенциальных близлежащих источниках электронов космических лучей. Каннади возглавил усилия по индивидуальному анализу каждого из этих событий, чтобы подтвердить, что они представляют собой реальный сигнал, и ожидается более глубокое погружение в эти события.

Решение проблем

Трудно отличить электроны от протонов при высоких энергиях, а протонов прибывает гораздо больше, чем электронов, что затрудняет точный анализ. Чтобы отличить частицы друг от друга, программа, разработанная исследователями, анализирует, как частицы разрушаются при попадании в детектор.

Протоны и электроны распадаются по-разному, поэтому сравнение каскада частиц, которые они создают в этом процессе, может отфильтровать протоны. Однако при самых высоких энергиях различия между протонами и электронами уменьшаются, что затрудняет точное удаление из данных только протонов.

Чтобы решить эту проблему, Каннади возглавил работу команды CALET по моделированию закономерностей распада как протонов, так и электронов, приходящих в точном направлении, откуда прибыло каждое из высокоэнергетических событий. Это увеличило способность команды максимально точно определять, являются ли эти события электронами или протонами.

Основываясь на этой работе, «мы считаем, что оцениваем вероятность событий, связанных с протонами, реалистично», — говорит Каннади. После тщательного анализа в наборе данных остается достаточно предполагаемых электронов, чтобы сделать вывод о наличии реального сигнала.

Раздвигая границы

Т. Грегори Гузик, профессор физики в LSU и руководитель американского сотрудничества CALET, воодушевлен тем, что дальнейший анализ данных показал, что электроны, исходящие от трех лучших кандидатов на ближайшие остатки сверхновых, могут объяснить прибытие высоких энергий.

«Эти наблюдения CALET открывают заманчивую возможность того, что материю из конкретного близлежащего остатка сверхновой можно измерить на Земле», — делится Гузик. «Продолжение измерений CALET на протяжении всей жизни Международной космической станции поможет пролить новый свет на происхождение и транспорт релятивистской материи в нашей галактике».

По мнению Каннади: «Самое интересное — это наблюдать за вещами при самых высоких энергиях. У нас есть несколько кандидатов с энергией выше 10 ТэВ — и если подтвердится, что это настоящие электронные события, это действительно будет явным доказательством существования близлежащего источника». » он говорит. «По сути, это то, для чего был создан CALET, поэтому интересно работать над этим и, наконец, получить результаты, которые раздвигают границы того, что мы видели раньше».

Информация от: Университетом Мэриленда, округ Балтимор.