Новое исследование, опубликованное астрофизиками Мичиганского государственного университета, может помочь ученым ответить на вековой вопрос: откуда взялись галактические космические лучи?

Космические лучи — высокоэнергетические частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света — возникли где-то в галактике Млечный Путь и за ее пределами, но где именно, оставалось загадкой с тех пор, как они были обнаружены в 1912 году. Шуо Чжан, доцент кафедры физики и астрономии МГУ, и ее группа провели два исследования, которые пролили новый свет на то, откуда могли появиться космические лучи. Недавно опубликованные результаты были представлены на 246-м заседании Американского астрономического общества в Анкоридже, Аляска.

Источники этих высокоэнергетических, быстро движущихся частиц могут иметь природу черных дыр, остатков сверхновых и областей звездообразования. Известно также, что эти экстремальные астрофизические события производят нейтрино — крошечные, почти безмассовые частицы, которые в изобилии встречаются не только в глубинах космоса, но и на нашей планете.

«Космические лучи имеют гораздо большее отношение к жизни на Земле, чем вы могли бы подумать», — сказал Чжан. «Около 100 триллионов космических нейтрино из далеких-далеких источников, таких как черные дыры, проходят через ваше тело каждую секунду. Разве вы не хотите узнать, откуда они взялись?»

Источники космических лучей настолько мощны, что могут разогнать протон или электрон до энергий, намного превосходящих то, что могут сделать люди с помощью самых современных ускорителей частиц. Группа Чжана изучает эти космические ускорители частиц, известные как PeVatrons, чтобы выяснить, где и что они собой представляют, и как они способны разгонять малые частицы до чрезвычайно высоких энергий. Более глубокое понимание их может помочь раскрыть фундаментальные вопросы физики, такие как эволюция галактик и природа темной материи.

Последние статьи ее группы посвящены многоволновым исследованиям кандидатов в PeVatron, чьи источники оставались неизвестными. В первой статье, опубликованной в The Astrophysical Journal , Стивен ДиКерби, аспирант в группе Чжан, исследовал загадочного кандидата в PeVatron, обнаруженного Большой обсерваторией высотных атмосферных ливней (LHAASO), но природа источника все еще была неизвестна.

Используя рентгеновские данные с космического телескопа XMM-Newton, ДиКерби обнаружил туманность пульсарного ветра — расширяющийся пузырь с релятивистскими электронами и позитронами с впрыском энергии от пульсара. Это открытие определило этот PeVatron как тип туманности пульсарного ветра источника космических лучей и является одним из немногих случаев, когда ученые могут определить природу PeVatrons.

Во второй статье , опубликованной в Research Notes of the AAS , три студента бакалавриата MSU из группы Чжана — Элла Вере, Амири Уокер и Шаан Карим — использовали рентгеновский телескоп NASA Swift для наблюдения рентгеновского излучения от малоизученных источников космических лучей LHAASO. Команда вычислила верхние пределы рентгеновского излучения, и их работа может послужить ориентиром для будущих исследований.

«Благодаря идентификации и классификации источников космических лучей, наши усилия, как мы надеемся, могут предоставить полный каталог источников космических лучей с классификацией», — сказал Чжан. «Это может послужить наследием для будущих нейтринных обсерваторий и традиционных телескопов для проведения более глубокого изучения механизмов ускорения частиц».

Далее команда Чжана планирует заняться еще одним исследованием источников космических лучей, объединив данные, собранные в нейтринной обсерватории IceCube, с данными рентгеновских и гамма-телескопов. Они хотят изучить, почему некоторые источники космических лучей испускают нейтрино, а другие — нет, а также где и как образуются нейтрино.

«Эта работа потребует сотрудничества между физиками-частицами и астрономами», — сказал Чжан. «Это идеальный проект для группы физики высоких энергий МГУ».