Протягом десятиліть вчені шукали у космосі джерело таємничих потоків космічних променів, які проносяться крізь Всесвіт зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Ці частинки виявляють на нашій планеті вже понад століття, але їх справжнє місце народження залишається невідомим. Експерти припускають, що залишки наднових, чорні діри або області зореутворення можуть бути місцями походження цих швидкорухливих гостей. Ці теорії наблизилися до підтвердження після аналізу нового джерела рентгенівського випромінювання, пов’язаного з цими невловимими частинками.
Розуміння космічних променів – основи
Галактичні космічні промені – це високоенергетичні частинки, що походять з джерел у нашій галактиці Чумацький Шлях. Вони складаються здебільшого з протонів, а також з меншою часткою важчих ядер та електронів. Після запуску в космос ці частинки подорожують крізь міжзоряне середовище, стикаючись по дорозі з атомами та магнітними полями. Ця хаотична подорож переплітає їхні стежки, ускладнюючи їх повернення до першоджерел.
Коли ці космічні промені наближаються до нашої Сонячної системи, вони стикаються із сонячним вітром та магнітним полем Сонця, які можуть відхиляти або уповільнювати їх. Власне магнітне поле та атмосфера Землі забезпечують додатковий захист, захищаючи життя від більшості їх шкідливого впливу. Однак деякі з більш енергійних частинок все ж проникають, створюючи зливи вторинних частинок, коли вони стикаються з атомами у верхніх шарах атмосфери.
Відстеження джерела рентгенівського випромінювання космічних променів
Шуо Чжан та її колеги з Мічиганського державного університету підійшли до розгадки цієї загадки, використовуючи дані телескопів, які фіксують різні довжини хвиль світла. Результати дослідження виявили незвичайну туманність пульсарного вітру, яка може допомогти точно визначити, звідки виникають певні високоенергетичні промені. Одна з частин дослідження команди включала вивчення випромінювань космічного телескопа XMM-Newton. Експерти виявили сяючу структуру, яка свідчить про те, що електрони та інші дрібні частинки можуть розганятися до швидкостей, що перевищують будь-що, створене в лабораторіях на Землі.
Туманність може викидати космічні частинки
Рентгенівські спостереження команди виявили туманність, що живиться швидко обертовим пульсаром, оточеним бульбашкою електронів високої енергії. Ця структура, що називається туманністю пульсарного вітру, відповідає візерункам, що спостерігаються в інших відомих джерелах наденергетичних частинок.
Аналізуючи яскравість та форму рентгенівського випромінювання, дослідники підтвердили, що туманність була асиметричною, розтягуючись більше в одному напрямку. Такий нерівномірний розподіл підтверджує ідею про те, що пульсар активно впорскує енергію в навколишній простір, викидаючи частинки назовні з надзвичайними швидкостями.
Чому нейтрино мають значення
«Космічні промені набагато важливіші для життя на Землі, ніж ви можете подумати. Щосекунди через ваше тіло проходить близько 100 трильйонів космічних нейтрино з далеких, дуже далеких джерел, таких як чорні діри», – сказав Чжан.
Нейтрино майже не мають маси та ігнорують більшість бар’єрів, тому вони прибувають з глибокого космосу, не втрачаючи багато енергії. Коли дослідники помічають їх на детекторах на Землі, їх часто можна пов’язати з потужними астрофізичними подіями, які вивільняють як заряджені, так і незаряджені частинки.
Виявлено приховане джерело космічних променів
Команда Чжана опублікувала дві статті, в яких досліджували можливі джерела, пов’язані з цими зарядженими частинками. В одному з них дослідники проаналізували рентгенівські дані та підтвердили, що прихована туманність утворена швидко обертовими залишками зірок, що підвищують частинки до інтенсивних енергетичних рівнів. У другій роботі троє студентів бакалаврату використали додаткові дані космічного телескопа для перевірки інших джерел космічних променів. Їхні розрахунки визначили верхні межі, які спрямовують майбутні місії до найперспективніших місць для вивчення високошвидкісних космічних зіткнень.
Каталогізація походження космічних променів
«Завдяки ідентифікації та класифікації джерел космічних променів, наші зусилля, як ми сподіваємося, можуть забезпечити вичерпний каталог джерел космічних променів з класифікацією», – сказав Чжан.
«Це може послужити спадщиною для майбутніх нейтринних обсерваторій та традиційних телескопів для проведення більш поглибленого вивчення механізмів прискорення частинок».
Каталог джерел космічних променів може покращити наше розуміння того, як різні джерела формують Чумацький Шлях. Дані також можуть натякнути на те, чи певні галактичні події сприяють виробленню більшої кількості частинок, ніж інші, що говорить нам про те, як поводиться матерія в екстремальних умовах.
Чому це важливо поза межами астрономії
Хоча це дослідження може здаватися віддаленим, його значення виходить далеко за рамки зоряних карт і телескопів. Космічні промені впливають на супутникові технології, безпеку авіації та навіть на поведінку електроніки під час сонячних бур. Розуміння їхніх джерел також може покращити моделі радіаційного опромінення астронавтів та висотних польотів. Плануючи майбутні місії на Місяць, Марс і далі, знання походження високоенергетичних частинок — це не просто цікавість, це питання безпеки.
Підготовка наступного покоління вчених
Цей проєкт не лише просунув науку про космічні промені, а й надав студентам реальний досвід. Студенти-дослідники допомагали аналізувати дані рентгенівського телескопа NASA Swift, встановлюючи орієнтири для майбутніх досліджень. Залучаючи студентів до передової астрофізичної роботи, команда Чжана допомагає виростити нову хвилю вчених, оснащених для вирішення складних космічних питань. Дослідження показує, як академічні лабораторії можуть стати стартовими майданчиками для кар’єри в космічній науці та фізиці.
Підтвердження джерел космічних променів
«Ця робота вимагатиме співпраці між фізиками елементарних частинок та астрономами. Це ідеальний проект для групи фізики високих енергій MSU», – сказала Чжан. Вона зазначила, що ці відкриття можуть бути корисними для багатьох галузей. Наступний план передбачає поєднання більшої кількості даних з обсерваторій, таких як IceCube, з рентгенівськими та гамма-телескопами. Такі зусилля можуть показати, чому деякі джерела космічних променів також вивільняють нейтрино, тоді як інші зосереджені на виробництві лише швидких протонів та електронів. Дослідження опубліковане в журналі «Астрофізика».
