Откуда к нам приходят космические лучи: результаты экспериментов

Главный научный сотрудник ФИАН Анатолий Ерлыкин и его коллеги из Национальной научной лаборатории им. А.И.Алиханяна (Ереван, Армения) Ромен Мартиросов и университета г. Дарэм (Великобритания) Арнольд Вольфендэйл считают, что ядерная компонента космических лучей в интервале энергий от 1 до 100 ПэВ может быть в значительной степени обусловлена действием одиночного остатка сверхновой.

В следующем 2012 году исполнится ровно сто лет с момента обнаружения космических лучей. Считается, что их открыл австрийский физик Виктор Франц Гесс. В 1911 году он уговорил австрийский клуб воздухоплавателей помочь ему в организации полетов на аэростате и измерил с помощью электроскопа интенсивность ионизации молекул воздуха в зависимости от высоты. Было совершено несколько полётов, 7 августа 1912 года результат, показывающий, что ионизующие частицы приходят именно "сверху", был получен.

Моделей, объясняющих происхождение космических лучей, довольно много. Но однозначного ответа на вопрос "откуда они берутся" пока нет. Один из способов добраться до сути заключается в объяснении излома в спектре космических лучей - одной из актуальнейших проблем в одноименной области физики - физике космических лучей. Изломом или "коленом" называется изменение характера спектра космических лучей вблизи энергий 3-4 ПэВ (3-4*1015 эВ). Он был открыт в 1958 году в МГУ группой ученых под руководством академика Георгия Христиансена. Однозначного объяснения этому явлению также нет, но есть несколько моделей, учитывающих, в частности, влияние на энергетический спектр космических лучей космических факторов, например, галактических магнитных полей или взрывов сверхновых звезд.


Энергетический спектр космических лучей по данным различных экспериментов (фото: www.fian-inform.ru)

На Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН и Национальной научной лаборатории им. А.И. Алиханяна, расположенной на склоне горы Арагац (установка GAMMA), проводятся исследования космических лучей и их природы. Используемые для этого детекторы регистрируют широкий атмосферный ливень или, другими словами, каскад вторичных частиц (адроны, мюоны и электромагнитная компонента, включающая электроны, позитроны и излучения всевозможных длин волн), образовавшихся в результате взаимодействия частиц, прилетающих в составе космических лучей, с частицами атмосферы.

"Мы начали разбираться в природе "колена" с вопроса, почему оно резкое. Анализируя экспериментальные данные, мы увидели, что на участке спектра от 100 ПэВ и ниже, включая место излома, находится не одна нерегулярность, а целых три. Оказалось, что при любом усреднении в районе излома есть тонкая структура, то есть происходит расщепление спектральных линий. Мы попытались это объяснить с помощью так называемой модели "одиночного источника", - рассказывает доктор физико-математических наук Анатолий Ерлыкин.

Основное положение упомянутой модели состоит в том, что распределение источников космических лучей неравномерно, ни во времени, ни в пространстве. Главным претендентом на роль таких источников являются сверхновые звезды. Взрывы сверхновых происходят не часто - в среднем они взрываются раз в 50 лет (за последнее тысячеление в нашей галактике их взорвалось всего шесть), или чуть чаще, так как центр галактики заслонен от нас большим пылевым облаком, и что происходит там, сказать сложно.


Энергетический спектр космических лучей с районе излома в сооответствии с моделью одиночного источника (фото: www.fian-inform.ru)

"Космические лучи - это не только элементарные частицы: протоны, электроны и гамма-кванты", - продолжает Анатолий Ерлыкин, - "в них также присутствует ядерная компонента. Обнаруженные нерегулярности образуются соответственно ядрами гелия, кислорода, в составе группы CNO, и железа. При этом у частиц такой энергетический спектр, что источник, по подсчетам, должен находиться примерно на расстоянии 300 парсек от Земли. Если учесть, что радиус нашей галактики около 15 килопарсек, то это сравнительно недалеко. Возраст источника тоже должен быть сравнительно молодым - не старше 105 лет. Как раз на этом расстоянии находится соответствующего возраста кольцеобразный остаток взрыва сверхновой Monogem Ring, включающий в себя пульсар PSR B0656+14".

Резкость излома в энергетическом спектре космических лучей и наличие в нем тонкой структуры указывают на доминирующий вклад (на этом отрезке спектра) близкого "одиночного источника", и им вполне может являться остаток свехновой Monogem Ring с пульсаром B0656+14. Однако объект Monogem Ring - довольно протяженный, его диаметр составляет около 18 градусов (для сравнения - угловой диаметр Солнца и Луны примерно полградуса), и измерить его гамма-излучение пока не представляется возможным, впрочем, как и увидеть фактическую направленность заряженных частиц космических лучей на этот источник. Находясь от источника на расстоянии в 300 парсек, было бы слишком смело ожидать направленности излучения, ведь космические магнитные поля закручивают летящие частицы ПэВ-ной энергии в спираль с радиусом примерно в 1 парсек. Различного рода рассеяния тоже сильно влияют на траекторию летящих в составе космических лучей частиц.

Тем временем экспериментальные исследования природы космических лучей продолжаются во всём мире. Не прекращаются исследования на Тянь-Шаньской высокогорной станции ФИАН и горе Арагац в Армении. В последнее время получены указания на возможную роль близких и молодых источников в формировании энергетического спектра космических электронов при более низких ТэВ-ных энергиях. Нерегулярности и тонкая структура в их спектре обнаружены в 3 крупных экспериментах, осуществляемых непосредственно в "небе" - это гамма-телескоп Fermi-LAT, аэростатный эксперимент AТIС и спектрометр Pamela, а также системой из 4 наземных гамма-телескопов HESS. Указание на возможный вклад в спектр космических лучей одиночного источника присутствует в данных всех упомянутых экспериментов.

Источник: АНИ "ФИАН-информ"