Космические лучи — загадка столетия. Телескоп нашёл в них общий признак, а физики не могут это объяснить
NewsMakerЭта аномалия одинакова абсолютно для всех частиц. Что она может значить?
Космические лучи больше ста лет остаются одной из самых упрямых загадок астрофизики. Это потоки частиц с огромной энергией, которые прилетают к Земле из глубин Вселенной. Учёные знают, что часть таких частиц может рождаться в остатках сверхновых, джетах чёрных дыр или рядом с пульсарами, но точный механизм их ускорения и распространения по Галактике до сих пор приходится собирать по косвенным признакам.
Новые данные космического телескопа DAMPE, или Dark Matter Particle Explorer, добавили к этой картине важную деталь. Международная миссия, в которой участвует Университет Женевы, обнаружила общий признак в энергетических спектрах первичных ядер космических лучей - от протонов до железа.
Космические лучи называют лучами по исторической привычке, хотя речь не о свете, а о частицах. Основную часть составляют протоны, но в потоке также встречаются ядра гелия, углерода, кислорода и железа. Их энергия намного выше, чем у частиц, которые люди получают в земных ускорителях, поэтому космические лучи позволяют изучать процессы, недоступные лабораторным установкам.
DAMPE запустили в декабре 2015 года, чтобы точнее измерять такие частицы и искать возможные следы тёмной материи. Телескоп регистрирует космические лучи в космосе, до того как атмосфера Земли исказит первичный сигнал. Такой подход помогает лучше определить энергию, заряд и траекторию частиц.
Авторы новой работы проанализировали высокоточные измерения DAMPE и увидели одинаковую особенность у всех изученных ядер. После определённого порога количество частиц начинает падать быстрее, чем ожидалось. В астрофизике такой излом называют смягчением спектра. Обычная картина тоже предполагает, что частиц с высокой энергией меньше, чем с низкой. Но здесь спад становится заметно резче.
Общий порог проявляется при жёсткости около 15 теравольт. Жёсткость частицы показывает, насколько трудно магнитному полю изменить её траекторию. Чем выше жёсткость, тем меньше частица отклоняется при движении через магнитные поля Галактики. Для космических лучей этот параметр особенно важен, потому что по пути к Земле они постоянно взаимодействуют с межзвёздной магнитной средой.
Именно совпадение по жёсткости стало главным результатом. Если разные ядра, от лёгких протонов до тяжёлого железа, показывают общий излом при одном и том же значении жёсткости, значит, ускорение и распространение космических лучей, вероятно, зависят именно от этого параметра. Такой вывод поддерживает модели, в которых поведение частиц определяет сопротивление их траектории магнитному полю, а не просто энергия сама по себе.
Данные DAMPE одновременно ослабляют альтернативное объяснение, где главным параметром считают энергию на нуклон, то есть энергию, делённую на число протонов и нейтронов в ядре. По данным авторов, такие модели плохо согласуются с измерениями: их можно отвергнуть с доверительной вероятностью 99,999%.
Команда Университета Женевы сыграла заметную роль в работе. Учёные разработали методы искусственного интеллекта для реконструкции зарегистрированных событий, участвовали в ключевых измерениях потоков протонов и гелия, а также в анализе углерода. Женевская группа также руководила созданием одного из главных субдетекторов DAMPE - кремниево-вольфрамового трекера STK. Этот прибор нужен, чтобы точно восстанавливать траектории частиц и измерять их заряд.
Модели ускорения частиц в астрофизических источниках и их переноса через межзвёздную среду теперь должны объяснить общий излом спектра при жёсткости около 15 теравольт. Для физики высоких энергий это важный фильтр: часть гипотез можно отбросить, а оставшиеся придётся уточнять с учётом новых данных.
Космические лучи больше ста лет остаются одной из самых упрямых загадок астрофизики. Это потоки частиц с огромной энергией, которые прилетают к Земле из глубин Вселенной. Учёные знают, что часть таких частиц может рождаться в остатках сверхновых, джетах чёрных дыр или рядом с пульсарами, но точный механизм их ускорения и распространения по Галактике до сих пор приходится собирать по косвенным признакам.
Новые данные космического телескопа DAMPE, или Dark Matter Particle Explorer, добавили к этой картине важную деталь. Международная миссия, в которой участвует Университет Женевы, обнаружила общий признак в энергетических спектрах первичных ядер космических лучей - от протонов до железа.
Космические лучи называют лучами по исторической привычке, хотя речь не о свете, а о частицах. Основную часть составляют протоны, но в потоке также встречаются ядра гелия, углерода, кислорода и железа. Их энергия намного выше, чем у частиц, которые люди получают в земных ускорителях, поэтому космические лучи позволяют изучать процессы, недоступные лабораторным установкам.
DAMPE запустили в декабре 2015 года, чтобы точнее измерять такие частицы и искать возможные следы тёмной материи. Телескоп регистрирует космические лучи в космосе, до того как атмосфера Земли исказит первичный сигнал. Такой подход помогает лучше определить энергию, заряд и траекторию частиц.
Авторы новой работы проанализировали высокоточные измерения DAMPE и увидели одинаковую особенность у всех изученных ядер. После определённого порога количество частиц начинает падать быстрее, чем ожидалось. В астрофизике такой излом называют смягчением спектра. Обычная картина тоже предполагает, что частиц с высокой энергией меньше, чем с низкой. Но здесь спад становится заметно резче.
Общий порог проявляется при жёсткости около 15 теравольт. Жёсткость частицы показывает, насколько трудно магнитному полю изменить её траекторию. Чем выше жёсткость, тем меньше частица отклоняется при движении через магнитные поля Галактики. Для космических лучей этот параметр особенно важен, потому что по пути к Земле они постоянно взаимодействуют с межзвёздной магнитной средой.
Именно совпадение по жёсткости стало главным результатом. Если разные ядра, от лёгких протонов до тяжёлого железа, показывают общий излом при одном и том же значении жёсткости, значит, ускорение и распространение космических лучей, вероятно, зависят именно от этого параметра. Такой вывод поддерживает модели, в которых поведение частиц определяет сопротивление их траектории магнитному полю, а не просто энергия сама по себе.
Данные DAMPE одновременно ослабляют альтернативное объяснение, где главным параметром считают энергию на нуклон, то есть энергию, делённую на число протонов и нейтронов в ядре. По данным авторов, такие модели плохо согласуются с измерениями: их можно отвергнуть с доверительной вероятностью 99,999%.
Команда Университета Женевы сыграла заметную роль в работе. Учёные разработали методы искусственного интеллекта для реконструкции зарегистрированных событий, участвовали в ключевых измерениях потоков протонов и гелия, а также в анализе углерода. Женевская группа также руководила созданием одного из главных субдетекторов DAMPE - кремниево-вольфрамового трекера STK. Этот прибор нужен, чтобы точно восстанавливать траектории частиц и измерять их заряд.
Модели ускорения частиц в астрофизических источниках и их переноса через межзвёздную среду теперь должны объяснить общий излом спектра при жёсткости около 15 теравольт. Для физики высоких энергий это важный фильтр: часть гипотез можно отбросить, а оставшиеся придётся уточнять с учётом новых данных.