Електроните в космическите лъчи, удрящи Земята, са най-мощните, измервани някога

Нов анализ на наблюдения, продължили повече от десетилетие, разширява спектъра на електроните на космическите лъчи до безпрецедентно високи енергии.

Най-мощните космически електрони и позитрони, които някога са откривани да се блъскат в земната атмосфера, имат толкова високи енергии, че могат да дойдат само от сравнително близко разстояние, показва ново изследване.

Тук, на повърхността на Земята, сме в пълна безопасност и сме защитени от атмосферния балон, но планетата ни е подложена на постоянна бомбардировка от космически лъчи.

Не знаем много за тези мощни частици, които се носят из космоса. Но благодарение на една обсерватория в пустинята на Намибия се приближаваме малко по-близо до разбирането на произхода им.

Обсерваторията H.E.S.S. е открила електрони и позитрони с енергии до 40 тераелектронволта. Общо те са известни като електрони на космическите лъчи или CRe (cosmic ray electrons).

Те се срещат изключително рядко, но енергията им подсказва, че всички те произлизат от един и същи ъгъл на Млечния път, в който се намира Слънчевата система, а може би дори от един и същи източник.

Ще мине известно време, докато се разбере откъде са дошли, ако изобщо се разбере, но малкото кандидати в рамките на посочения обем пространство може да съкрати малко списъка.

"Това е важен резултат", обяснява астрофизикът Катрин Егбертс (Kathrin Egberts) от Потсдамския университет в Германия, "тъй като можем да заключим, че измерените CRe най-вероятно произхождат от много малко източници в близост до нашата Слънчева система, максимум до няколко 1000 светлинни години, което е много малко разстояние в сравнение с размера на нашата галактика."

Изображение на H.E.S.S., улавящо светлината от частиците, които се удрят в земната атмосфера. Кредит: MPIK/H.E.S.S. Collaboration

CRe представляват много малка част от всички частици на космическите лъчи и се смята, че се появяват от екстремни обекти в космоса - като остатъци от свръхнови, непосредствена близост до черни дупки и свръхплътни звезди като пулсари. Учените смятат, че тези обекти ускоряват частиците на космическите лъчи до високи енергии и ги запращат да препускат из Вселената.

Когато се блъснат в земната атмосфера, те за кратко време се движат малко по-бързо от скоростта на светлината в атмосферния обем. Това създава явление, наречено лъчение на Черенков - светлинният еквивалент на звуков удар. Това лъчение е много слабо; и именно това слабо лъчение на Черенков се предвижда да бъде засечено от H.E.S.S.

Не само CRe причиняват това явление в атмосферата. Гама лъчите създават подобен ефект. Това прави идентифицирането на CRe донякъде трудно.

"CRe са електрони, т.е. заредени частици, които съставят материята, докато гама-лъчите са фотони, т.е. светлина", обяснява пред ScienceAlert астрономът Матийо дьо Науроа (Mathieu de Naurois) от Френския национален център за научни изследвания.

"Гама лъчите се движат праволинейно във Вселената, което ни позволява да определим източниците, докато електроните имат хаотични траектории, тъй като взаимодействат с магнитното поле. И двата вида лъчи произвеждат електромагнитни потоци или частици, когато навлизат в атмосферата, и е много трудно да бъдат разграничени един от друг."

За да идентифицират високоенергийните CRe, изследователите е трябвало да прегледат данните от H.E.S.S., идентифицирайки кандидатите за CRe. Окончателният им списък на кандидат-събитията вероятно включва и някои гама-лъчи; но групата е достатъчно голяма, за да се направят някои статистически изводи.

Енергиите варират до 40 тераелектронволта, което е по-мощно от всички CRe, които досега са засичани да попадат на Земята.

Откритията на CRe с енергии, по-високи от един тераелектронволт, са много редки. Това е така, защото при движението си в пространството те бързо губят енергия.

Екипът усъвършенства техниките за дискриминация на частици, за да постигне съотношение на отхвърляне на протони от 10 000 към 1, което позволява електронните събития да бъдат изолирани с висока степен на сигурност (спектърът включва и приноса от космическите лъчеви позитрони). Полученият електронен спектър на космическите лъчи се описва най-добре чрез променлив степенен закон: Под 1 TeV спектралният индекс (експонентата на степенния закон) е около 3.25, докато над 1 TeV той се изостря значително до приблизително 4.49. По-големият спектрален индекс означава, че потокът от космически лъчи намалява по-бързо при по-високи енергии. Кредит: F. Aharonian et al. (H.E.S.S. Collaboration) [1]; NASA Goddard; adapted by APS/Alan Stonebraker

"При синхротронното излъчване заредените частици взаимодействат с междузвездното, галактическото поле. Те придобиват спираловидна траектория около линиите на магнитното поле и излъчват електромагнитно лъчение - от радио до рентгенови лъчи. По този начин те губят енергия", посочва дьо Науроа.

"При така нареченото "обратно разсейване на Комптън" заредена частица взаимодейства с околната светлина. Те взаимодействат с фотон с ниска енергия и му отдават по-голямата част от енергията си. Процесът се нарича "Обратен ефект на Комптън", защото е обратен на разсейването на Комптън, при което високоенергиен фотон разсейва електрон от средата и го усилва до висока енергия."

Тъй като CRe губят енергията си толкова бързо, кандидат-събитията трябва да са дошли от близкия космос, за да останат толкова мощни по времето, когато достигат Земята. Не можем да ги проследим до източника им; траекториите им са твърде непредсказуеми; но има нещо друго в техните енергии, което може да е указание. Има ясно изразена долна гранична точка при 1,17 тераелектронволта.

Художествено изображение на пулсар, чиито мощни магнитни полета ускоряват космическите лъчи. Кредит: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

"Фактът, че промяната на наклона е рязка, показва, че само няколко космически източника, ако не и само един, произвеждат тези електрони", обяснява дьо Науроа.

"В противен случай енергийният спектър би представлявал суперпозиция от приноса на различни източници с прекъсвания при различни енергии, което би довело до много по-плавна крива."

Тъй като обемът на пространството, от което биха могли да се появят тези CRe, е толкова малък, това означава, че и потенциалните източници са малко. Кандидатите включват остатък от свръхнова, наречен "Пръстен на Моногем" (Monogem Ring); умираща звезда от типа Волф-Райе, наречена γ2 Велорум (γ² Velorum); или пулсар като Вела или Геминга.

Възможно е обаче източникът да е остатък от свръхнова, който е толкова стар, че се е разпръснал и изчезнал от полезрението. Просто сега няма как да знаем.

Снимка на звезда от типа Волф-Райе, наречена WR 124, направена с помощта на космическия телескоп "Хъбъл" и публикувана през 2015 г. Кредит: ESA/Hubble/NASA/Judy Schmidt

Въпреки това тази изключителна работа ни приближава с една стъпка към разбирането на начина, по който Вселената се захранва с енергия. Екипът планира да продължи изследванията си, за да види дали може да определи предполагаемата посока, от която пристигат CRe.

Това ще бъде трудно, но потенциалните ползи са големи, а увеличеният брой кандидати ще бъде безценен за изучаването на CRe занапред.

"Нашето измерване не само предоставя данни в ключов и неизследван досега енергиен диапазон, което оказва влияние върху разбирането ни за местното съседство, но и вероятно ще остане еталон за следващите години", отбелязва дьо Науроа.

Тази работа също така повдига интригуващи въпроси относно механизмите, управляващи разпространението на частици при такива високи енергии. Бъдещите изследвания вероятно ще се съсредоточат върху по-нататъшното подобряване на подбора на частиците, потенциално чрез техники за машинно обучение, и върху разширяването на енергийния диапазон на директните измервания за улавяне на електрони с още по-висока енергия. Сътрудничеството HESS поставя нов стандарт във физиката на космическите лъчи, но все още остава да се разкрие много за високоенергийната Вселена.

Справка:

1. F. Aharonian et al. (H.E.S.S. Collaboration), “High-statistics measurement of the cosmic-ray electron spectrum with H.E.S.S.,” Phys. Rev. Lett. 133, 221001 (2024).
2. O. Adriani et al. (CALET Collaboration), “Extended measurement of the cosmic-ray electron and positron spectrum from 11 GeV to 4.8 TeV with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station,” Phys. Rev. Lett. 120, 261102 (2018).
3. DAMPE Collaboration, “Direct detection of a break in the teraelectronvolt cosmic-ray spectrum of electrons and positrons,” Nature 552, 63 (2017).
4. M. Aguilar et al. (AMS Collaboration), “Precision measurement of the boron to carbon flux ratio in cosmic rays from 1.9 GV to 2.6 TV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station,” Phys. Rev. Lett. 117, 231102 (2016).
5. O. Adriani et al. (CALET Collaboration), “Cosmic-ray boron flux measured from 8.4 GeV/n to 3.8 TeV/n with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station,” Phys. Rev. Lett. 129, 251103 (2022).
6. DAMPE Collaboration, “Detection of spectral hardenings in cosmic-ray boron-to-carbon and boron-to-oxygen flux ratios with DAMPE,” Sci. Bull. 67, 2162 (2022).
7. Y.-Z. Fan et al., “A model explaining neutrino masses and the DAMPE cosmic ray electron excess,” Phys. Lett. B 781, 83 (2018).

Източници: 

Cosmic-Ray Electrons Slamming Earth Are The Most Powerful Ever Seen, Michelle Starr

Measuring the Spectrum of High-Energy Cosmic-Ray Electrons, Carmelo Evoli, Gran Sasso Science Institute, L’Aquila, Italy

Още по темата

15/08/2024

Космос

Звездният куп Терзан 5 показва кога космическите лъчи се отклоняват и произвеждат гама лъчите, достигащи до нас

12/06/2024

Космос

Студен междузвезден облак може да е облизал Земята по времето на първите хора

26/10/2022

Космос

Загадъчен обект може да е „странна звезда“, направена от кварки

02/05/2016

Космос

Свръхмощен ускорител на частици намериха в центъра на галактиката ни