Астрономы измеряют космические электроны при самых высоких на сегодняшний день энергиях

Обсерватория HESS, расположенная в горах Кхомас в Намибии на высоте 1835 м ниже южного неба. Автор: Sabine Gloaguen

Пять телескопов коллаборации HESS в Намибии используются для изучения космической радиации, особенно гамма-излучения. Используя данные 10 лет наблюдений, исследователи теперь смогли обнаружить космические электроны и позитроны с беспрецедентной энергией более 10 тераэлектронвольт.

Вселенная содержит экстремальные среды, от самых низких температур до самых энергетических источников. Экстремальные объекты, такие как остатки сверхновых, пульсары или активные ядра галактик, производят заряженные частицы и гамма-излучение с энергиями, намного превышающими те, которые достигаются в тепловых процессах, таких как ядерный синтез в звездах.

В то время как испускаемые гамма-лучи пересекают пространство нетронутыми, заряженные частицы — или космические лучи — отклоняются вездесущими магнитными полями во Вселенной и достигают Земли изотропно со всех направлений. Это означает, что исследователи не могут напрямую вывести происхождение излучения.

Кроме того, заряженные частицы теряют энергию при взаимодействии со светом и магнитными полями. Эти потери особенно сильны для наиболее энергичных электронов и позитронов (положительно заряженных античастиц электрона) с энергиями выше отметки тераэлектронвольт.

Когда приборы на Земле измеряют заряженные космические частицы столь высоких энергий, это означает, что они не могли далеко продвинуться. Это указывает на существование мощных природных ускорителей частиц вблизи нашей солнечной системы.

Излом в спектре раскрывает происхождение

В новом анализе ученые из коллаборации HESS впервые сузили круг источников этих космических частиц. Отправной точкой анализа является измерение спектра космических лучей, т. е. распределение энергии измеряемых электронов и позитронов. Анализ основан на 10 годах наблюдений, что гарантирует высокое качество данных. Интегрированный спектр электронов простирается до нескольких десятков тераэлектронвольт.

Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

«Наши измерения не только предоставляют данные в важном и ранее неисследованном диапазоне энергий, влияющие на наше понимание местных условий, но и, вероятно, останутся ориентиром на ближайшие годы», — говорит Вернер Хофманн из Института ядерной физики Общества Макса Планка в Гейдельберге.

В спектре, который характеризуется сравнительно небольшими полосами ошибок при энергиях ТэВ, бросается в глаза заметный излом около одного тераэлектронвольта. Как выше, так и ниже этого излома спектр следует степенному закону без каких-либо дальнейших аномалий.

Странствуя по галактике

Чтобы выяснить, какой астрофизический процесс разогнал электроны до столь высоких энергий и каково происхождение перегиба, исследователи сравнили эти данные с модельными прогнозами. Кандидатами на роль источника являются пульсары, представляющие собой остатки звезд с сильными магнитными полями. Некоторые пульсары выдувают в окружающую среду ветер заряженных частиц, и фронт магнитного удара этого ветра может быть местом, где частицы испытывают ускорение.

То же самое относится к ударным фронтам остатков сверхновых. Компьютерные модели показывают, что электроны, ускоренные таким образом, движутся в космосе с определенным распределением энергии. Эти модели отслеживают электроны и позитроны, когда они движутся через Млечный Путь, и вычисляют, как меняется их энергия при взаимодействии с магнитными полями и светом в Млечном Пути.

В процессе частицы теряют так много энергии, что их первоначальный энергетический спектр искажается. На последнем этапе астрофизики пытаются подогнать свою модель к данным, чтобы узнать больше о природе астрофизических источников.

Но какой объект выбросил в космос электроны, которые замерили телескопы? Спектр частиц с энергией ниже одного тераэлектронвольта, вероятно, состоит из электронов и позитронов из разных пульсаров или остатков сверхновых.

Однако при более высоких энергиях возникает иная картина: энергетический спектр резко падает примерно с одного тераэлектронвольта. Это также подтверждается моделями, изучающими частицы, ускоренные астрономическими источниками, и их диффузию через галактическое магнитное поле. Этот переход при одном тераэлектронвольте особенно выражен и исключительно резок.

«Это важный результат, поскольку мы можем заключить, что измеренные электроны, скорее всего, происходят из очень немногих источников в непосредственной близости от нашей собственной солнечной системы, вплоть до нескольких тысяч световых лет», — говорит Катрин Эгбертс из Потсдамского университета. Это расстояние относительно невелико по сравнению с размером Млечного Пути.

«Источники на разных расстояниях значительно размыли бы этот излом», — продолжает Эгбертс.

По словам Хофмана, даже один пульсар может быть ответственным за спектр электронов при высоких энергиях. Однако неясно, какой именно. Поскольку источник должен быть очень близко, под вопрос подпадают лишь несколько пульсаров.

Больше информации: F. Aharonian et al, High-Statistics Measurement of the Cosmic-Ray Electron Spectrum with HESS, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.221001. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2411.08189

Источник: Max Planck Society