Учёные из Мичиганского государственного университета сделали значительный шаг к разгадке давней научной тайны: откуда берутся галактические космические лучи. Эти высокоэнергичные частицы, несущиеся почти со скоростью света, прилетают как из нашей галактики Млечный Путь, так и из более отдалённых областей Вселенной. Однако их точные источники остаются неизвестными с момента обнаружения в 1912 году. Профессор физики и астрономии Шуо Чжан и её исследовательская группа провели два новых исследования, которые предлагают свежие подсказки о месте формирования этих частиц. Результаты были представлены на 246-й встрече Американского астрономического общества в Анкоридже, Аляска.
Быстрые частицы, формирующие космические лучи, предположительно создаются в экстремальных условиях, таких как чёрные дыры, области звездообразования или остатки сверхновых. Эти мощные события также способны генерировать нейтрино – крошечные, почти безмассовые частицы, которые непрерывно пронизывают космос и Землю. Профессор Чжан подчёркивает: «Космические лучи гораздо более значимы для жизни на Земле, чем можно было бы подумать. Около ста триллионов космических нейтрино из очень далёких источников, таких как чёрные дыры, проходят сквозь ваше тело каждую секунду. Разве вам не хочется знать, откуда они взялись?»
Источники, производящие космические лучи, обладают достаточной мощностью для ускорения протонов или электронов до энергий, значительно превышающих возможности самых современных рукотворных ускорителей частиц. Группа Чжан сосредоточена на изучении этих природных ускорителей, известных как ПеВатроны, чтобы определить их природу, местоположение и механизмы ускорения частиц до столь экстраординарных энергий. Понимание этих процессов может также помочь учёным ответить на более широкие вопросы о формировании галактик и природе тёмной материи.
В своих последних публикациях Чжан и её студенты исследовали кандидатов в ПеВатроны, чьё происхождение ещё не было установлено. В рамках первого исследования постдокторант Стивен ДиКерби изучил загадочный высокоэнергетический источник, обнаруженный Обсерваторией атмосферных ливней на большой высоте (LHAASO). Несмотря на то, что LHAASO зафиксировала этот источник, его истинная природа оставалась неясной. Используя рентгеновские данные космического телескопа XMM-Newton, ДиКерби идентифицировал туманность пульсарного ветра – расширяющуюся область, наполненную энергичными электронами и частицами, получающими энергию от пульсара. Это открытие подтвердило, что данный кандидат является источником космических лучей типа туманности пульсарного ветра. Лишь очень небольшое число ПеВатронов были классифицированы подобным образом.
Второе исследование было проведено студентами Мичиганского государственного университета Эллой Вере, Амири Уокером и Шааном Каримом. Они использовали рентгеновский телескоп Swift NASA для изучения рентгеновских сигналов от нескольких менее изученных источников космических лучей LHAASO. Вычислив верхние пределы рентгеновского излучения, полученные ими результаты могут направить будущие исследования аналогичных объектов. Чжан отмечает: «Благодаря выявлению и классификации источников космических лучей, наши усилия, надеюсь, смогут предоставить всеобъемлющий каталог таких источников с их классификацией. Это может послужить наследием для будущих обсерваторий нейтрино и традиционных телескопов для проведения более глубоких исследований механизмов ускорения частиц».
Команда Чжан планирует далее изучать источники космических лучей, объединяя данные обсерватории IceCube Neutrino с результатами рентгеновских и гамма-телескопов. Их цель – понять, почему одни источники космических лучей излучают нейтрино, а другие нет, а также точно определить, где и как эти нейтрино производятся. Эта работа потребует тесного сотрудничества между физиками элементарных частиц и астрономами. Профессор Чжан считает такой проект идеальным для группы физики высоких энергий Мичиганского государственного университета. Данное исследование поддержано несколькими грантами NASA на наблюдения и грантом Национального научного фонда на анализ данных IceCube.
