Измерен низкоэнергетический спектр галактических космических лучей

Измерен низкоэнергетический спектр галактических космических лучей

Текст: Дмитрий Сафин

Астрофизики из Швейцарии и Франции реконструировали низкоэнергетический спектр галактических космических лучей (ГКЛ) по данным гамма-телескопа «Ферми».

Традиционные способы исследования космических лучей с помощью детекторов, находящихся на Земле или рядом с ней, плохо работают в области низких энергий, так как параметры наблюдаемых спектров здесь изменяются под действием солнечного ветра. Чтобы избавиться от этого нежелательного (и не слишком чётко моделируемого) влияния, детекторы, очевидно, нужно вынести за пределы Солнечной системы. Вероятно, в будущем учёные действительно отправят в межзвёздную среду точные измерительные приборы, но сейчас им приходится работать с естественными массивными объектами, которые находятся вне Солнечной системы: ГКЛ взаимодействуют с ними, рождая гамма-излучение, которое регистрируется с орбиты Земли. Процессы взаимодействия, рождения и распада частиц изучены хорошо, а потому и спектр космических лучей восстанавливается по известному гамма-спектру без особых проблем.

В качестве детекторов франко-швейцарская группа использовала гигантские молекулярные облака — крупные гравитацинно-связанные скопления газа и пыли, в которых может разворачиваться звездообразование. Близлежащие облака такого типа образуют пояс Гулда, кольцевидную структуру диаметром в ~1 кпк, наклонённую на ~20˚ относительно плоскости Млечного Пути. Рассчитывая упростить обработку спектров, авторы отобрали девять облаков, максимально удалённых от плоскости (такое расположение позволяет отделить их собственное гамма-излучение от диффузного излучения Галактики).

Красным отмечен гамма-спектр гигантского молекулярного облака в созвездии Цефея, а серым — усреднённый спектр облаков. Хорошо заметен излом в области ~2 ГэВ. (Иллюстрация авторов работы.)

Гамма-спектры этих девяти объектов, построенные по данным «Ферми», собранным в период с августа 2008-го по июль 2011-го, обнаружили излом — явное изменение наклона — в области ~2 ГэВ. Моделируя его появление, учёные выяснили, что ему должен соответствовать аналогичный излом в спектре ГКЛ, находящийся чуть правее, на энергии в 9 ± 3 ГэВ.

Как и следовало ожидать, реконструированный астрофизиками спектр ГКЛ сильно отличался от спектра, снятого зондом PAMELA, прикреплённым к искусственному спутнику Земли. Искажения, вызванные Солнцем, становятся заметными уже на энергии в ~50 ГэВ.

Наблюдения «Ферми» также дали возможность оценить плотность энергии ГКЛ в межзвёздном пространстве: она оказалась равна 0,9 ± 0,3 эВ/см³.

Полная версия отчёта будет опубликована в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам электронного препринта, выложенного на сайт arXiv.