В волне пресс-релизов последние исследования, выполненные космическим телескопом гамма-излучения Ферми НАСА, освещают мир астрофизики частиц новостями о том, как сверхновые звезды могут быть прародителями космических лучей. Остальные электроны и атомные ядра. Когда они встречаются с магнитным полем, их пути меняются, как бамперная машина в парке развлечений - но нет ничего забавного в том, чтобы не знать их происхождение. Теперь четыре года напряженной работы, проделанной учеными из Института астрофизики и космологии частиц Кавли при Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Министерстве энергетики США (DOE). Есть свидетельство того, как рождаются космические лучи.
«Энергии этих протонов намного превышают то, что могут производить самые мощные коллайдеры на Земле», - сказал Стефан Функ, астрофизик из Института Кавли и Стэнфордского университета, который руководил анализом. «В прошлом веке мы узнали много нового о космических лучах, когда они приходят сюда. У нас даже были серьезные подозрения относительно источника их ускорения, но у нас не было однозначных доказательств, подтверждающих их до недавнего времени ».
До сих пор ученые не понимали некоторые детали - например, какие атомные частицы могут быть ответственны за выбросы межзвездного газа. Чтобы помочь своим исследованиям, они очень внимательно изучили пару излучающих гамма-излучение остатков сверхновых - известных как IC 443 и W44. Почему расхождение? В этом случае гамма-лучи имеют одинаковые энергии с протонами и электронами космических лучей. Чтобы выделить их, исследователи обнаружили нейтральный пион, продукт протонов космических лучей, воздействующих на нормальные протоны. Когда это происходит, пион быстро распадается на набор гамма-лучей, оставляя характерный спад, который обеспечивает доказательство в форме протонов. Созданные в процессе, известном как ускорение Ферми, протоны остаются в плену на быстро движущемся фронте удара сверхновой и не подвержены воздействию магнитных полей. Благодаря этому свойству астрономы смогли отследить их непосредственно до их источника.
«Открытие - дымящийся пистолет, в котором эти два остатка сверхновой производят ускоренные протоны», - сказал ведущий исследователь Стефан Функ, астрофизик из Института астрофизики и космологии частиц им. Кавли при Стэнфордском университете в Калифорнии. «Теперь мы можем лучше понять, как они управляют этим подвигом, и определить, является ли этот процесс общим для всех остатков, где мы видим гамма-излучение».
Они маленькие спидстеры? Еще бы. Каждый раз, когда частица проходит через фронт удара, она набирает примерно на 1% больше скорости - в конечном счете, этого достаточно, чтобы вырваться на свободу как космический луч. «Астронавты документально подтвердили, что они действительно видят вспышки света, связанные с космическими лучами», - отметил Фанк. «Это одна из причин, почему я восхищаюсь их храбростью - обстановка там действительно довольно жесткая». Следующий шаг в этом исследовании, добавил Фанк, состоит в том, чтобы понять точные детали механизма ускорения, а также максимальные энергии, до которых остатки сверхновых могут ускорять протоны.
Однако на этом исследования не заканчиваются. Более новые свидетельства того, что остатки сверхновых звезд действуют как ускорители частиц, появились в ходе тщательного наблюдательного анализа сербского астронома Сладжана Николича (Институт астрономии Макса Планка). Они взглянули на состав света. Николич объясняет: «Впервые мы смогли подробно рассмотреть микрофизику в области шока и вокруг нее. Мы нашли доказательства области предшественника непосредственно перед шоком, который, как полагают, является предпосылкой производства космических лучей. Кроме того, область прекурсора нагревается так, как и следовало ожидать, если бы протоны уносили энергию из области непосредственно за ударной волной ».
Николич и ее коллеги использовали спектрограф VIMOS в Очень Большом Телескопе Европейской Южной Обсерватории в Чили, чтобы наблюдать и документировать короткий участок фронта ударной волны сверхновой SN 1006. Этот новый метод известен как интегральная полевая спектроскопия - процесс впервые что позволяет астрономам тщательно исследовать состав света от остатка сверхновой. Кевин Хенг из Бернского университета, один из руководителей докторской работы Николича, говорит: «Мы особенно гордимся тем, что нам удалось использовать интегральную полевую спектроскопию довольно неортодоксальным способом, поскольку она обычно используется для изучения галактики с высоким красным смещением. При этом мы достигли уровня точности, который намного превосходит все предыдущие исследования ».
Это действительно интригующее время, чтобы присмотреться к остаткам сверхновых - особенно в отношении космических лучей. Как объясняет Николич: «Это был пилотный проект. Выбросы, которые мы наблюдали от остатка сверхновой, очень, очень слабые по сравнению с обычными объектами-мишенями для этого типа инструмента. Теперь, когда мы знаем, что возможно, действительно интересно думать о последующих проектах ». Гленн ван де Вен из Института астрономии Макса Планка, другого со-супервизора Николича и эксперта по интегральной полевой спектроскопии, добавляет: «Этот вид нового наблюдательного подхода вполне может стать ключом к разгадке загадки о том, как космические лучи производятся в остатки сверхновой ».
Директор Института Кавли Роджер Блэндфорд, который участвовал в анализе Ферми, сказал: «Вполне естественно, что такая четкая демонстрация, показывающая, как остатки сверхновых ускоряют космические лучи, пришла, когда мы отмечали 100-летие их открытия. Это показывает, как быстро развиваются наши возможности для обнаружения ».
Оригинальные источники истории и дальнейшее чтение: новый подход в охоте на ускоритель космических частиц, НАСА Fermi доказывает, что остатки сверхновой производят космические лучи, и доказательство: космические лучи происходят от взрывающихся звезд.
