Звезды-убийцы и космические пираты: Опасные частицы из глубин космоса атакуют Землю

Земля ежедневно подвергается обстрелу космическими лучами — это потоки высокоэнергетических частиц, непрерывно налетающие на нашу планету со всех направлений почти со скоростью света. Эти лучи, невидимые глазу, являются постоянным феноменом в нашей Вселенной, демонстрируя мощь и непредсказуемость космических процессов.

Это явление, хотя и звучит как начало научно-фантастического инопланетного вторжения, на самом деле известно ученым уже более столетия. Несмотря на своё драматичное описание, космические лучи на удивление обыденны — они настолько регулярно проходят через нашу планету, что во время обычного ночного сна через тело человека проходит около миллиона космических лучей, как сообщает Университет Бирмингема в Великобритании.

Несмотря на их повсеместность, космические лучи до сих пор таят в себе научные тайны. Известно, что медленные космические лучи, попадающие на Землю, исходят от Солнца, однако другие, более высокоэнергетические, прибывают в Солнечную систему из глубокого космоса. Происхождение этих внесолнечных космических лучей менее изучено, предполагаемые источники включают черные дыры и взрывы сверхновых, сопровождающие конец жизни массивных звезд.

Космические лучи "обнаружены на Земле более 100 лет назад. Тем не менее, их происхождение остается в значительной степени неизвестным", — сказала Джулия Тьюс, профессор физики и астрономии в Рурском университете в Германии. "Эти крошечные частицы достигают энергий, которые значительно превышают то, что мы можем достичь здесь, на Земле. Мы пытаемся решить загадку, которой уже более 100 лет, и постепенно складываем кусочки вместе".

Что такое космические лучи?

Космические лучи — это потоки высокоэнергетических частиц, ударяющих по атмосфере Земли почти со скоростью света. Они были открыты в 1900-х годах, а термин "космические лучи" ввел физик Роберт Милликен в 1925 году.

С тех пор ученые установили, что триллионы космических лучей ежедневно поражают Землю, но большинство из них блокируется магнитосферой и атмосферой планеты.

Более 90% космических лучей состоят из ядер водорода (одиночных протонов), 9% - из атомных ядер гелия, и 1% - из ядер тяжелых элементов вплоть до железа, по данным Университета Чикаго. Эти частицы называются "адронными", потому что они состоят из адронов, таких как протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, состоят из фундаментальных частиц — кварков.

"Также в космических лучах присутствуют электроны и позитроны [античастицы электронов], но их меньше, чем адронных частиц. Их часто называют космическими лучами-электронами", — сказала Тьюс. "Иногда под термином космические лучи подразумеваются и нейтральные высокоэнергетические частицы — фотоны и нейтрино, но в большинстве определений их рассматривают отдельно".

Как космические лучи становятся такими энергетическими?

Космические лучи постоянно обрушиваются на Землю, но точное место их происхождения до сих пор неизвестно.

Ключ к загадке космических лучей заключается в том, как эти частицы могут достигать таких невероятных энергий, которые заставляют их ускоряться почти до скорости света.

"Мы хорошо знаем энергии космических лучей — Вселенная каким-то образом ускоряет частицы до 10²⁰ электронвольт (эВ)", — сказала Тьюс. "Для сравнения, земные ускорители, такие как Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе, могут ускорять частицы только до 10¹³ эВ, что на много порядков ниже, чем может достичь Вселенная. Механизм ускорения частиц до таких экстремальных энергий не понят."

Одно из предположений заключается в том, что частицы могут ускоряться до таких энергий ударным фронтом, который создается, когда материал, движущийся с невероятно высокой скоростью, сталкивается с более медленно движущейся средой, вызывая резкое изменение последней. Это может создать турбулентное магнитное поле, которое может действовать как естественный и мощный ускоритель космических частиц.

Одним из возможных способов создания таких условий может быть сверхновая, взрыв, происходящий при смерти массивной звезды. Этот взрыв выбрасывает внешние слои звезды с невероятной скоростью, пока этот звездный материал в конечном итоге не столкнется с межзвездным веществом — медленно движущимися облаками газа между звездами — создавая светящийся остаток сверхновой.

"Остатки сверхновых являются разумными кандидатами на источник космических лучей, исходящих из Млечного Пути. Есть свидетельства того, что остатки сверхновых могут ускорять частицы до энергий порядка ГэВ [примерно 10⁹ до 10¹² эВ]", — сказала Тьюс. "На самых высоких энергиях, около 10²⁰ эВ, мы знаем, что эти частицы должны приходить из других галактик".

Она сказала, что одним из разумных источников этих более высокоэнергетических космических лучей могут быть активные галактические ядра (AGN), центры активных галактик, которые питаются сверхмассивными черными дырами с массами в миллионы или миллиарды раз превышающими массу Солнца.

Окружающие сверхмассивные черные дыры в активных галактических ядрах (AGN) насыщены веществом, которое они непрерывно поглощают, создавая при этом мощные вихри под воздействием своего гигантского гравитационного притяжения. Это заставляет вещество сверкать невероятно ярко, превышая светимость всех звезд в окружающей галактике. Некоторые части этого вещества, ускользающие от поглощения черной дырой, могут быть вытолкнуты к ее полюсам, где они извергаются в космос в виде мощных струй материи, движущихся почти со скоростью света. Эти столкновения струй с межзвездной средой способны порождать космические лучи, добавляя новую грань в сложную мозаику космических явлений.

Другим возможным источником космических лучей могут быть так называемые галактики со звездными вспышками — то есть те, которые переживают исключительно высокий уровень звездообразования — в которых происходят гамма-всплески, сказала Тьюс.

Но если космические лучи исходят из некоторых самых насильственных и заметных событий во Вселенной, почему астрономы испытывают трудности с отслеживанием этих заряженных частиц до их источников?

Космический пинбол

Одна из причин, по которой трудно найти источники космических лучей, заключается в том, что они состоят из заряженных частиц, на которые влияют магнитные поля. Когда эти частицы встречают на своем долгом пути через космос к нам магнитные поля, они отклоняются.

Таким образом, к моменту, когда внегалактические космические лучи достигают Земли после путешествия на миллионы или миллиарды световых лет, они были отклонены и перенаправлены множество раз, отскакивая по космосу, как шарик в небесном пинбольном автомате. Это делает реконструкцию их первоначального пути практически невозможной, но может быть косвенный способ сделать это.

"Когда космические лучи взаимодействуют с газом, эти взаимодействия приводят к образованию фотонов и нейтрино. Это нейтральные частицы, которые движутся прямо и, следовательно, могут косвенно раскрыть происхождение космических лучей", — объяснила Тьюс.

В настоящее время космические лучи изучаются в широком диапазоне энергий, от 10⁹ эВ до 10²⁰ эВ, при этом ученые изучают все, от состава космических лучей до их предпочтительных направлений в небе. Тьюс считает, что с помощью комбинации 3D-моделирования и точных измерений нейтрино и фотонов, связанных с космическими лучами, можно добиться прогресса в понимании того, откуда приходят космические лучи и как они запускаются с такими невероятными энергиями.

"Загадка космических лучей может быть решена только путем совмещения различных кусочков информации от разных наблюдаемых посланников", — сказала Тьюс. "На сегодняшний день существует большое разнообразие обсерваторий, предоставляющих различные кусочки информации".