Космические лучи — это потоки частиц, которые бомбардируют Землю из глубин Вселенной. Их энергия варьируется в колоссальном диапазоне: от скромных 10⁷ электронвольт до значений свыше 10²⁰ эВ. Для сравнения: самая энергичная частица сравнима с футбольным мячом, летящим со скоростью 8 метров в секунду. График этих энергий испещрен загадочными изгибами — «коленами» и «лодыжками», которые указывают на разные механизмы рождения частиц. Долгое время ученые подозревали, что за эти изгибы отвечают взрывы сверхновых, но прямых доказательств не хватало.
Главная сложность в том, что космические лучи — заряженные частицы. Их траектория искривляется магнитными полями галактики, и мы не можем точно сказать, откуда они прилетели. Но у ученых есть хитрость: наблюдать не сами частицы, а гамма-излучение, которое рождается рядом с их источником. Гамма-фотоны не имеют заряда, поэтому они летят по прямой, неся точную информацию о своем происхождении.
Охота на Туманность Медузу
Китайская коллаборация LHAASO, работающая на Большой обсерватории атмосферных ливней на юго-западе Китая, направила свои инструменты на остаток сверхновой IC 443. Этот объект, расположенный в 5000 световых годах от Земли в созвездии Близнецов, известен также как Туманность Медуза. Звезда взорвалась около 30 000 лет назад, и ее остатки до сих пор расширяются, взаимодействуя с окружающими молекулярными облаками.
Когда звезда взрывается, волна от ее коллапса вырывается наружу, выбрасывая вещество массой в несколько Солнц со скоростью в сотни миллионов километров в час. Этот выброс создает ударные волны, которые сжимают и нагревают межзвездный газ. Именно в этих ударных волнах, как в гигантских ускорителях, частицы разгоняются до огромных энергий.
Два пути рождения гамма-лучей
Перед учеными стояла дилемма. Существует два конкурирующих механизма, которые могут порождать гамма-излучение в остатках сверхновых.
Первый сценарий — электронный. Высокоэнергетические электроны, разогнанные ударной волной, сталкиваются с фотонами окружающего света или космического микроволнового фона и передают им свою энергию, превращая в гамма-кванты.
Второй сценарий — адронный. Протоны, разогнанные до релятивистских скоростей, врезаются в частицы плотного молекулярного облака. В результате этих столкновений рождаются нейтральные пионы — нестабильные частицы, которые мгновенно распадаются на гамма-лучи.
Разгадка найдена: протоны, а не электроны
Измерения LHAASO поставили точку в этом споре. Энергетический спектр гамма-излучения от IC 443 четко соответствовал модели распада пионов. В спектре проявился характерный пик, который невозможен при электронном сценарии. Это стало прямым доказательством того, что именно протоны, ускоренные ударной волной сверхновой, сталкиваются с молекулярным облаком и рождают гамма-лучи.
Более того, ученые не обнаружили обрыва в спектре частиц вплоть до энергий выше 0,3 ПэВ. Это означает, что ударные волны сверхновых способны разгонять протоны до очень высоких энергий, вплоть до знаменитого «колена» на графике космических лучей.
Что это значит для науки
Результаты коллаборации LHAASO стали убедительным подтверждением давней гипотезы: остатки сверхновых являются одним из главных источников галактических космических лучей. Впервые ученые получили прямые наблюдательные доказательства того, что протоны, ускоренные в ударных волнах взорвавшихся звезд, порождают гамма-излучение через распад пионов.
Это открытие не только объясняет происхождение значительной части космических частиц, но и помогает понять, как устроены гигантские природные ускорители, работающие в глубинах космоса уже миллиарды лет.
Изображение: остатки сверхновой IC443, (Туманность Медуза). Источник: Siderevs nuncivs. Собственная работа, CC BY-SA 4.0
