Терзан 5 проливает свет на загадку о космических лучах

Звездное скопление Terzan 5. Автор: CC BY

Когда мы с коллегами принялись за раскрытие вековой космической тайны, мы обнаружили неожиданную небесную лабораторию в Терзане 5 — плотном звездном скоплении, которое в настоящее время с головокружительной скоростью проносится через нашу галактику.

Эта звездная странность позволила нам изучить поведение космических лучей — высокоэнергетических частиц, чьи нестабильные траектории в космосе ставили в тупик астрономов с момента их открытия в 1912 году.

Быстро движущееся излучение из космоса

Космические лучи — это то, чего никто не ожидал. Когда в 1890-х годах впервые была обнаружена радиоактивность, ученые думали, что все источники радиации находятся на Земле.

Но в 1912 году австрийско-американский физик Виктор Гесс измерил уровень окружающего излучения на высотном воздушном шаре и обнаружил, что он был намного выше, чем на уровне земли, даже во время затмения, когда солнце было закрыто. Это означало, что излучение должно было исходить из космоса.

Сегодня мы знаем таинственное излучение, которое открыл Гесс, как космические лучи: атомные ядра и элементарные частицы, такие как протоны и электроны, которые каким-то образом были ускорены почти до скорости света. Эти частицы проносятся через межзвездное пространство, и благодаря своим высоким энергиям небольшая их часть может проникать в верхние слои атмосферы, как обнаружил Гесс.

Но мы не можем легко сказать, откуда они берутся. Космические лучи — это заряженные частицы, что означает, что направление их движения меняется, когда они сталкиваются с магнитным полем.

Статичная картина космического излучения космоса

Эффект магнитного отклонения обеспечивает базовую технологию для старых мониторов с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и телевизоров, которые используют его для направления электронов к экрану для создания изображения. Межзвездное пространство полно магнитных полей, и эти поля постоянно колеблются, отклоняя космические лучи в случайных направлениях — что-то вроде сломанной ЭЛТ в старом телевизоре, который показывает только статику.

Итак, вместо того, чтобы космические лучи шли прямо к нам из своего источника, как это делает свет, они в конечном итоге распространяются почти равномерно по всей галактике. Здесь, на Земле, мы видим, как они приходят почти одинаково со всех направлений в небе.

Хотя теперь мы понимаем эту общую картину, большинство деталей отсутствуют. Однородность космических лучей по небу говорит нам, что направления космических лучей меняются случайным образом, но у нас нет хорошего способа измерить, насколько быстро происходит этот процесс.

Мы также не понимаем первоисточник магнитных флуктуаций. Или не понимали до сих пор.

Terzan 5 и смещенные гамма-лучи

Вот тут-то и появляется Terzan 5. Это звездное скопление является обильным источником космических лучей, поскольку содержит большую популяцию быстро вращающихся, невероятно плотных и намагниченных звезд, называемых миллисекундными пульсарами, которые разгоняют космические лучи до чрезвычайно высоких скоростей.

Эти космические лучи не доходят до Земли из-за этих флуктуирующих магнитных полей. Однако мы можем видеть явный признак их присутствия: некоторые космические лучи сталкиваются с фотонами звездного света и преобразуют их в высокоэнергетические незаряженные частицы, называемые гамма-лучами.

Гамма-лучи движутся в том же направлении, что и космические лучи, которые их создали, но в отличие от космических лучей, гамма-лучи не отклоняются магнитными полями. Они могут двигаться по прямой и достигать Земли.

Из-за этого эффекта мы часто видим гамма-лучи, исходящие от мощных источников космических лучей. Но в Terzan 5 по какой-то причине гамма-лучи не совсем совпадают с положением звезд. Вместо этого они, кажется, исходят из области примерно в 30 световых годах отсюда, где нет очевидного источника.

«Комета» галактического масштаба

Это смещение оставалось необъяснимым любопытством с момента его обнаружения в 2011 году, пока мы не придумали ему объяснение.

Просто сейчас он ныряет сквозь галактику. Поскольку это падение происходит со скоростью в сотни километров в секунду, скопление сметает вокруг себя мантию магнитных полей, как хвост кометы, ныряющей сквозь солнечный ветер.

Космические лучи, выпущенные кластером, изначально движутся вдоль хвоста. Мы не видим никаких гамма-лучей, которые производят эти космические лучи, потому что хвост не направлен прямо на нас — эти гамма-лучи направляются вдоль хвоста и от нас.

И вот тут-то в игру вступают магнитные флуктуации. Если бы космические лучи оставались четко выровненными с хвостом, мы бы их никогда не увидели, но благодаря магнитным флуктуациям их направление начинает меняться.

В конце концов, некоторые из них начинают указывать на нас, производя гамма-лучи, которые мы можем видеть. Но это занимает около 30 лет, поэтому гамма-лучи, похоже, не исходят от самого скопления.

К тому времени, когда достаточное их количество будет направлено на нас и их гамма-лучи станут достаточно яркими и их можно будет увидеть, они успеют пролететь 30 световых лет по магнитному хвосту скопления.

Космические лучи и межзвездные магнитные поля

Итак, благодаря Terzan 5, мы впервые смогли измерить, сколько времени требуется магнитным флуктуациям для изменения направления космических лучей. Мы можем использовать эту информацию для проверки теорий о том, как работают межзвездные магнитные поля и откуда берутся их флуктуации.

Это приближает нас к пониманию загадочного излучения из космоса, открытого Гессом более 100 лет назад.

Больше информации: Mark R. Krumholz et al, Teraelectronvolt gamma-ray emission near globular cluster Terzan 5 as a probe of cosmic ray transport, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02337-1

Источник: The Conversation