Astrofizycy tłumaczą nietypowe zachowanie promieni kosmicznych

Zespół naukowców z Rosji i Chin opracował model tłumaczący naturę wysokoenergetycznych promieni kosmicznych (CR, ang. cosmic rays) w naszej Galaktyce. Owe promienie kosmiczne charakteryzują się energiami wyższymi o 1-2 rzędy wielkości od tych powstających w eksplozjach supernowych. Model opiera się głównie na niedawnym odkryciu gigantycznych struktur nazwanych bąblami Fermiego.

Jednym z głównych problemów teorii tłumaczącej źródło promieni kosmicznych składających się z wysokoenergetycznych protonów i jąder atomowych jest mechanizm ich przyspieszanie. Tematem tym zajmowali się Witalij Ginzburg oraz Siergiej Syrovatsky w latach sześćdziesiątych, kiedy to doszli do wniosku, że promienie kosmiczne powstają w eksplozjach supernowych (SN) wewnątrz galaktyki. Konkretny mechanizm przyspieszania naładowanych cząstek przez fale uderzeniowe po wybuchu SN został zaproponowany przez Germogen Krymskiego i innych w 1977 roku. Z uwagi na ograniczony czas życia fal uderzeniowych, oszacowano, że maksymalna energia przyspieszonych cząstek nie może przekroczyć 10^14-10^15 eV.

Kluczowe zatem jest badanie natury cząstek o energiach przekraczających 10^15 eV. Znaczącym przełomem w badaniu procesów przyspieszania takich cząstek było odkrycie w 2010 roku za pomocą Kosmicznego Teleskopu Fermi dwóch gigantycznych struktur emitujących promieniowanie w zakresie promieniowania gamma w centralnym rejonie galaktyki. Obie struktury są wydłużone i symetrycznie rozmieszczone prostopadle do płaszczyzny dysku galaktycznego rozciągając się na 50 000 lat świetlnych od centrum. Naukowcy najczęściej nazywają je bąblami Fermiego. Jakiś czas po ich odkryciu, teleskop Planck odkrył, że emitują one także promieniowanie w zakresie mikrofalowym.

Widmowy diagram przedstawiający promienie kosmiczne zarejestrowane na Ziemi (oś pozioma przedstawia zakres energii w eV, oś pionowa przedstawia jasność CR). Źródło: Moskiewski Instytut Fizyki i Technologii (MIPT)

Natura bąbli Fermiego jest wciąż niejasna, jednak położenie tych obiektów wskazuje na ich związek z przeszłą lub obecną aktywnością centrum galaktyki, w którym znajduje się centralna czarna dziura o masie 10^6 mas Słońca. Współczesne modele wiążą obecność bąbli z procesami gwiazdotwórczymi i/lub uwalnianiem energii w centrum galaktyki w procesie rozrywania pływowego gwiazd w trakcie ich akrecji na centralną czarną dziurę. Podobne struktury także obserwowane są w innych systemach galaktycznych z aktywnymi jądrami.

Dmitrij Czeryszow (student MIPT), Władimir Dogiel (pracownik MIPT) wraz ze współpracownikami z Hong Kongu i Tajwanu opublikowali  serię artykułów naukowych, w których tłumaczą naturę bąbli Fermiego. Badacze wykazali, że promieniowanie rentgenowskie i gamma w tych obszarach ma swoje źródło w procesach obejmujących elektrony relatywistyczne przyspieszone przez fale uderzeniowe mające swoje źródło w materii gwiezdnej opadającej na czarną dziurę. W tym przypadku fale uderzeniowe powinny przyspieszać zarówno protony jak i jądra atomowe. Niemniej jednak, w przeciwieństwie do elektronów, relatywistyczne protony o większych masach tracą niewiele energii w halo galaktycznym i mogą wypełnić całą objętość galaktyki. Autorzy artykułu sugerują, że fronty fali gigantycznych bąbli Fermiego mogą ponownie przyspieszać protony emitowane przez SN do energii znacząco przekraczających 10^15 eV.

Badania ponownego przyspieszania promieni kosmicznych wskazują, że bąble Fermiego mogą być odpowiedzialne za powstawanie widma CR powyżej zgięcia obserwowanego spektrum, tj. w zakresie energii powyżej 3×10^15 eV. Dla porównania, enegia cząstek przyspieszanych w LHC to także około 10^15 eV.

„Proponowany model tłumaczy widmowy rozkład obserwowanego strumienia CR.  Można powiedzieć, że opisane przez nas procesy są w stanie ponownie przyspieszać galaktyczne promienie kosmiczne powstałe w eksplozjach supernowych. W przeciwieństwie do elektronów, protony mają znacznie dłuższy czas życia, dzięki czemu przyspieszone w bąblach Fermiego mogą wypełnić całą objętość galaktyki i mogą być obserwowane w pobliżu Ziemi. Nasz model wskazuje, że promienie osmiczne zawierające wysokoenergetyczne protony i jądra atomowe o energiach niższy niż 10^15 eV powstały w eksplozjach supernowych w dysku galaktycznym. Takie CR są ponownie przyspieszane w bąblach Fermiego do energii przekraczających 10^15 eV. Ostateczny rozkład promieni kosmicznych przedstawiono na diagramie powyżej”, mówi Władimir Dogiel.

Badacze zaproponowali wytłumaczenie osobliwości widma CR w zakresie energii 3×10^15 do 10^18 eV. Naukowcy dowiedli, że cząstki powstałe w eksplozjach SN, a które mają energie poniżej 3×10^15 eV doświadczają ponownego przyspieszania w bąblach Fermiego gdy poruszają się na zewnątrz dysku galaktycznego w kierunku halo. Rozsądne parametry modelu opisujące przyspieszanie cząstek w bąblach Fermiego mogą tłumaczyć naturę widma promieni kosmicznych powyżej 3×10^15 eV. Widmo poniżej tego zakresu pozostaje niezakłócone. Tym samym model jest w stanie odtworzyć widmowy rozkład promieni kosmicznych identyczny z obserwowanym.

Źródło: MIPT