График объема (a) ∣∇ × B∣ и (b) ∣∇ × ΓV∣ (нормализованных к их соответствующим среднеквадратичным значениям), взятых при t = 2,5lc/c из эталонного моделирования турбулентности (σ = 16, lc/di = 133) . (в) Одномерные спектры турбулентного магнитного поля (красный) и четырехскоростной скорости жидкости (синий) при t = 2,5 lc/c. Каждый спектр нормирован так, что ∑k⊥P(k⊥)=1. Наклон степенного закона k⊥−5/3 (пунктирная черная линия) показан для справки. Изображение предоставлено: The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad955f
Космические лучи сверхвысокой энергии, возникающие в экстремальных астрофизических средах, таких как турбулентные среды вблизи черных дыр и нейтронных звезд, обладают гораздо большей энергией, чем энергичные частицы, исходящие от нашего Солнца. Фактически, частицы, составляющие эти энергетические потоки, имеют примерно в десять миллионов раз больше энергии, чем частицы, ускоренные в самой экстремальной среде частиц на Земле — созданном человеком Большом Адронном Коллайдере.
Откуда берется вся эта энергия? В течение многих лет ученые считали, что это толчки, которые происходят в экстремальных астрофизических условиях — например, когда звезда взрывается до того, как образуется черная дыра, что приводит к массивному взрыву, который выбрасывает частицы.
Эта теория была правдоподобной, но согласно новому исследованию, опубликованному в The Astrophysical Journal Letters, наблюдения лучше объясняются другим механизмом. Исследователи обнаружили, что источником энергии космических лучей, скорее всего, является магнитная турбулентность. Авторы статьи обнаружили, что магнитные поля в этих средах сбиваются с толку и вращаются, заставляя частицы быстро ускоряться, а их энергия резко возрастает, вплоть до резкого прекращения.
«Эти результаты помогают решить насущные вопросы, представляющие большой интерес как для астрофизиков, так и для физиков элементарных частиц, о том, как эти космические лучи получают свою энергию», — сказал Лука Комиссо, научный сотрудник Лаборатории астрофизики Колумбийского университета и один из авторов статьи.
Статья дополняет опубликованное Комиссо и его сотрудниками исследование энергетических частиц Солнца, которые, как они также обнаружили, возникают из магнитных полей солнечной короны. В этой работе Комиссо и его коллеги нашли способы лучше предсказать, откуда могут возникнуть эти энергичные частицы.
Космические лучи сверхвысокой энергии на несколько порядков мощнее энергетических частиц Солнца: они могут достигать 1020 электрон-вольт, тогда как частицы Солнца могут достигать 1010 электрон-вольт, разница в 10 порядков. (Чтобы получить представление об этой огромной разнице в размерах, рассмотрим разницу в весе между рисовым зерном массой около 0,05 грамма и 500-тонным Airbus A380, крупнейшим в мире пассажирским самолетом.)
«Интересно, что у этих двух совершенно разных сред есть что-то общее: их магнитные поля сильно переплетены, и эта взаимосвязь имеет решающее значение для обеспечения частиц энергией», — сказал Комиссо.
«Примечательно, что данные космических лучей сверхвысокой энергии явно благоприятствуют предсказаниям магнитной турбулентности, а не предсказаниям ударного ускорения. Это настоящий прорыв в этой области», — сказал Гленнис Р. Фаррар, автор статьи и профессор физики Нью-Йоркского университета.
Информация от: Колумбийским университетом
