Астрономы подтвердили звездное происхождение космических лучей

Масштабы космических расстояний не только поражают неподготовленный мозг, но иногда даже приводят в уныние. До ближайшего небесного тела — Луны — около 400 тыс. км, до ближайшей планеты (Венеры) — минимум в 100 раз больше, до ближайшей звезды — еще в миллион раз дальше, и измерять такие расстояния проще в световых годах или парсеках. Кажется, что мы во Вселенной безумно одиноки.

На деле, однако, Солнце со всеми кружащимися вокруг него планетами, кометами и астроидами погружено в настоящую горячую «баню» из огромного количества заряженных элементарных частиц и атомных ядер с самой разной энергией. Эти частицы, впервые обнаруженные австрийцем Виктором Гессом в 10−х годах прошлого века, называют космическими лучами. Иногда к ним причисляют и кванты света, фотоны очень высоких энергий — благо методы обнаружения очень энергичных фотонов почти такие же, как и для частиц других типов.

Предполагается, что до огромных энергий все эти частицы разгоняются на фронтах ударных волн — например, разбегающихся от взрывов сверхновых. Тем не менее ученые предложили несколько таких механизмов, и какой из них вносит основной вклад, проверить сложно: межзвездное магнитное поле запутывает траектории космических лучей в Галактике, и откуда они происходят, в большинстве случаев остается непонятным. А разобраться в этом хотелось бы.

Космический климат

Давний и очень спорный вопрос — и влияние космических лучей на жизнь землян. Конечно, протон с энергией в сотни гигаэлектрон-Вольт (1 ГэВ = 10⁹ электрон-Вольт) способен при торможении разбить не одно атомное ядро, и если на его пути окажется молекула ДНК, содержащая ее клетка вполне может стать неработоспособной или даже раковой. Более того, среди космических лучей встречаются частицы с совершенно убойными энергиями в 300 млрд ГэВ; это вполне макроскопическая величина, сродни кинетической энергии теннисного мяча на профессиональной подаче. Однако такие события — все-таки редкость, и получить то же повреждение ДНК от естественного радиоактивного распада земных ядер куда вероятнее.

Тем не менее изрядное количество ученых полагает, что поток космических лучей может влиять на образование облаков в земной атмосфере, а через них — на климат. Огромное количество вторичных частиц, образующихся при ударе космического луча по какой-нибудь молекуле в земной атмосфере, может стать зародышами конденсации микроскопических капелек воды и аэрозолей и таким образом влиять на прозрачность атмосферы и на осадки.

Если этот эффект действительно имеет большое значение, можно сделать очень далеко идущие выводы — например, о влиянии солнечной активности на среднюю температуру планеты. Поток заряженных частиц от нашей звезды, встречающих космические лучи на границе Солнечной системы, мешает им проникать в ее внутренние части, и это особо касается частиц небольших энергий, которые потенциально важнее для климата. Примерно так волны на линии прибоя мешают отойти от берега маленьким лодкам, но не создают никаких трудностей океанским лайнерам.

Неудивительно, что вокруг связи климата и космических лучей ученые постоянно и с шумом ломают копья. Последние работы свидетельствуют, что связь эта даже сильнее, чем думали, однако история подсказывает, что в ближайшее время стоит ждать следующего хода противников этой теории.

Тридцать взрывов за миллениум

А теперь представьте себе, какие споры на этот счет должны идти в центральной части спиральной галактики NGC 253, расположенной примерно в 8−10 млн световых лет на границе созвездий Кита и Скульптора. Как показала группа астрономов из международной коллаборации H.E.S.S., плотность космических лучей здесь в 2000 раз выше, чем в окрестностях Солнечной системы! Статья ученых под руководством Далибора Недбола из пражского Карлова университета принята к публикации в Science.

Галактика NGC253 во многом походит на нашу собственную, Млечный Путь. Это тоже спираль гигантских даже по галактическим меркам масштабов. Черная дыра в ее центре ведет себя очень скромно, заметно проявляя свое присутствие лишь в радиодиапазоне, как наш собственный радиоисточник Sgr A*. Иными словами, эта система не относится к числу галактик с активным ядром.

Главное отличие NGC253 — чудовищный темп образования новых звезд вблизи ее центра. Последние 20−30 млн лет в пределах 1 тыс. световых лет от него звезды рождаются с той же частотой, что и во всей нашей Галактике (которая в поперечнике достигает 100 тыс. световых лет). И значительная часть этих звезд — горячие массивные светила, которые светят ярко, живут очень недолго и через несколько миллионов лет взрываются, как сверхновые. Частота таких взрывов в ядре NGC253 оценивается в три взрыва за столетие. Земные астрономы не видели вспышек в нашей Галактике со времен Кеплера (хотя несколько взрывов мы, наверняка, просто проглядели).

Получасовые фотоны

Такое количество сверхновых и относительная близость NGC253 дают ученым шанс проверить свою теорию происхождения космических лучей. Еще в середине 1990−х годов теоретики предсказали, что от этой галактики должен приходить вполне заметный поток гамма-квантов с энергией в сотни и тысячи ГэВ. Они должны в изобилии рождаться при взаимодействии заряженных космических лучей с межзвездным веществом, плотность которого в центральной плотной области галактики также высока.

Чтобы поймать высокоэнергичные фотоны от NGC253, астрономы направили в ее сторону четыре телескопа Стереоскопической высокоэнергичной системы HESS (High Energy Stereoscopic System, также читается как немецкая фамилия первооткрывателя космических лучей), которая позволяет устанавливать направление прихода космических лучей и измерять их энергию. Точность этих измерений чуть хуже, чем у человеческого глаза, но наши глаза не видят высокоэнергичных частиц, а приходят они так редко и источники их так малочисленны, что путаницы все равно не возникает.

За 119 часов наблюдений, которые проводились в 2005, 2007 и 2008 году, ученые, за вычетом шума, зафиксировали приход всего 247 гамма-квантов с энергией больше 220 ГэВ со стороны галактики NGC253 — в среднем один высокоэнергичный фотон каждые полчаса. Поток этих гамма-квантов был относительно стабильным, что более или менее исключает возможность их генерации активной черной дырой. Источником фотонов оказалась центральная область NGC253, что также свидетельствует в пользу теории ускорения частиц в ударных волнах от центральных сверхновых.

Ожидаемо, но важно

Как рассказал корреспонденту Infox.ru один из соавторов публикации в Science Дмитрий Клочков из германского Тюбингенского университета, до сих пор такие фотоны удавалось зафиксировать лишь из нашей Галактики и из Большого Магелланова Облака — карликового спутника Млечного Пути.

«До этого все внегалактические источники ТэВ-ного излучения, за исключением Большого Магелланова Облака, являлись активными галактическими ядрами», — пояснил астроном корреспонденту Infox.ru. Однако активные галактики не в счет, подчеркнул ученый: там интенсивное пожирание газа сверхмассивной черной дырой самостоятельно ускоряет частицы до очень высоких энергий, и проверке теории ускорения на ударных волнах это никак не помогает. «NGC253, напротив, является вполне «нормальной» галактикой, похожей на нашу, за исключением высокого темпа звездообразования», — говорит Дмитрий Клочков.

По мнению ученого, полученный им и его коллегами результат не является неожиданным: «Само по себе возникновение ТэВ-ных фотонов в областях, где рождается много звезд, не удивительно, — продолжает астроном. — В этих местах часто вспыхивают сверхновые, в остатках которых эффективно ускоряются космические лучи. Взаимодействуя с межзвездной средой, они рождают гамма-фотоны сверхвысоких энергий».

Тем не менее «обнаружение этого излучения важно, поскольку подтверждает общие представления о возникновении и ускорении космических лучей и позволяет сделать некоторые важные оценки», — заключает Дмитрий Клочков.