Огромная энергия космических лучей связана с магнитной турбулентностью

Объемная визуализация (a) ∣∇ × B∣ и (b) ∣∇ × ΓV∣ (нормализованных к их соответствующим среднеквадратичным значениям), взятых при t = 2,5l_c/c из эталонного моделирования турбулентности (σ = 16, l_c/d_i = 133). (c) Одномерные спектры турбулентного магнитного поля (красный) и четырехскоростной жидкости (синий) при t = 2,5l_c/c. Каждый спектр нормализован так, что ∑k⊥P(k⊥)=1. Для справки показан степенной наклон k⊥^−5/3 (пунктирная черная линия). Автор: The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad955f

Сверхвысокоэнергетические космические лучи, которые возникают в экстремальных астрофизических средах, например, в бурлящих средах около черных дыр и нейтронных звезд, обладают гораздо большей энергией, чем энергичные частицы, которые возникают из нашего Солнца. Фактически, частицы, составляющие эти потоки энергии, обладают примерно в 10 миллионов раз большей энергией частиц, ускоренных в самой экстремальной среде частиц на Земле, созданном человеком Большом адронном коллайдере.

Откуда берется вся эта энергия? На протяжении многих лет ученые считали, что она возникает из-за ударов, которые происходят в экстремальных астрофизических условиях, например, когда звезда взрывается перед образованием черной дыры, вызывая огромный взрыв, который выбрасывает частицы.

Эта теория была правдоподобной, но, согласно новому исследованию, опубликованному в The Astrophysical Journal Letters, наблюдения лучше объясняются другим механизмом. Источником энергии космических лучей, как обнаружили исследователи, скорее всего является магнитная турбулентность. Авторы статьи обнаружили, что магнитные поля в этих средах запутываются и поворачиваются, быстро ускоряя частицы и резко увеличивая их энергию вплоть до резкого обрыва.

«Эти результаты помогают решить насущные вопросы, которые представляют большой интерес как для астрофизиков, так и для физиков, изучающих элементарные частицы, о том, как космические лучи получают свою энергию», — сказал Лука Комиссо, научный сотрудник Колумбийской астрофизической лаборатории и один из авторов статьи.

Статья дополняет исследование, опубликованное Комиссо и его коллегами по энергичным частицам солнца, которые, как они также обнаружили, возникают из магнитных полей в солнечной короне. В этой статье Комиссо и его коллеги открыли способы лучшего прогнозирования того, где будут появляться эти энергичные частицы.

Сверхвысокоэнергетические космические лучи на несколько порядков мощнее, чем энергичные частицы Солнца: они могут достигать до ¹⁰²⁰ электрон-вольт, тогда как частицы от Солнца могут достигать до ¹⁰¹⁰ электрон-вольт, разница составляет 10 порядков. (Чтобы получить представление об этой огромной разнице в масштабах, рассмотрим разницу в весе между зерном риса массой около 0,05 грамма и 500-тонным Airbus A380, крупнейшим в мире пассажирским самолетом.)

«Интересно, что эти две совершенно разные среды имеют нечто общее: их магнитные поля сильно запутаны, и эта запутанная природа имеет решающее значение для возбуждения частиц», — сказал Комиссо.

«Примечательно, что данные о космических лучах сверхвысокой энергии явно предпочтительнее предсказаний магнитной турбулентности, чем предсказаний ударного ускорения. Это настоящий прорыв для этой области», — сказал Гленнис Р. Фаррар, автор статьи и профессор физики в Нью-Йоркском университете.

Больше информации: Luca Comisso et al, Ultra-High-Energy Cosmic Rays Accelerated by Magnetically Dominated Turbulence, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad955f

Источник: Columbia University