Ученые раскрыли скрытую закономерность космических лучей спустя 100 лет исследований

Более ста лет ученые пытались разгадать тайну космических лучей — невероятно мощных частиц, путешествующих по Вселенной с экстремальными энергиями. Теперь исследователи, работающие с космическим телескопом DAMPE (Dark Matter Particle Explorer), обнаружили важную новую подсказку. Их результаты, опубликованные в журнале Nature, выявляют общую черту, присущую этим загадочным частицам, что может помочь понять их происхождение.

Космические лучи — это частицы с самой высокой энергией, когда-либо наблюдаемые в природе. Они несут гораздо больше энергии, чем частицы, производимые самыми совершенными ускорителями на Земле. Ученые полагают, что они рождаются в результате самых violent событий во Вселенной, включая взрывы сверхновых, джеты от черных дыр и пульсары.

Запущенный в декабре 2015 года космический телескоп DAMPE был разработан для изучения природы космических лучей и поиска возможных связей с темной материей. В миссии принимает активное участие группа астрофизиков из Департамента ядерной и физики частиц (DPNC) Женевского университета (UNIGE).

Анализируя высокоточные данные, собранные DAMPE, исследователи обнаружили универсальную закономерность в энергетических спектрах первичных ядер космических лучей — от легких протонов до гораздо более тяжелых ядер железа.

«Космические лучи в основном состоят из протонов, но также из ядер гелия, углерода, кислорода и железа, — объясняет Андрей Тихонов, адъюнкт-профессор DPNC на факультете наук UNIGE и соавтор исследования. — Эти частицы также классифицируются по их энергии: низкая — до нескольких миллиардов электрон-вольт, средняя — от нескольких миллиардов до нескольких сотен миллиардов электрон-вольт и высокая — от 1000 миллиардов электрон-вольт и выше».

Исследование показало, что для каждого типа изученных ядер количество частиц начинает падать гораздо быстрее после достижения определенного порога. Ученые называют этот эффект «спектральным смягчением».

Обычно космические лучи с более высокой энергией встречаются реже по мере увеличения энергии. Однако наблюдения DAMPE выявили, что снижение становится резко более крутым за порогом жесткости примерно в 15 ТэВ (тераэлектрон-вольт). Жесткость описывает, насколько сильно траектория частицы сопротивляется искривлению магнитными полями.

Поскольку одна и та же особенность проявляется у многих различных типов частиц, результаты убедительно подтверждают теории, согласно которыми ускорение и движение космических лучей в пространстве контролируются жесткостью. В то же время данные в значительной степени исключают альтернативные объяснения, основанные на энергии на нуклон (энергия, деленная на количество нуклонов в частице). По словам исследователей, уровень достоверности против этих альтернативных моделей достигает 99,999%.

Исследователи из Женевы сыграли важную роль в этом прорыве. Команда разработала сложные методы искусственного интеллекта для реконструкции событий частиц, обнаруженных телескопом. Они также внесли вклад в важные измерения потоков протонов и гелия и помогли проанализировать данные по ядрам углерода.

Кроме того, женевская группа руководила разработкой одного из ключевых инструментов DAMPE — кремний-вольфрамового трекера (STK). Этот детектор необходим для точного отслеживания траекторий частиц и определения электрического заряда входящих космических лучей.

Полученные результаты знаменуют собой важный прогресс в понимании того, как создаются космические лучи и как они путешествуют по галактике. Ученые говорят, что новые результаты накладывают более жесткие ограничения на существующие модели ускорения частиц в астрофизических источниках и улучшают наше понимание того, как высокоэнергетические частицы движутся через межзвездное пространство.

Источники: sciencedaily.com