Лучи, состоящие из электронов и их антивещественных аналогов, позитронов, наблюдались с энергией до 40 тераэлектронвольт (ТэВ), что в 40 000 раз превышает энергию видимого света.
Замеченные обсерваторией High Energy Stereoscopic System (HESS) в Намибии, лучи теряют энергию при движении через пространство из-за взаимодействия со светом и магнитными полями. Это означает, что для обнаружения лучей такой энергии их источники должны находиться относительно недалеко. Однако что именно их порождает, остается неизвестным. Исследователи опубликовали свои выводы 25 ноября в журнале Physical Review Letters.
«Это важный результат, поскольку мы можем заключить, что измеренные CRe [электроны космических лучей], скорее всего, происходят из очень немногих источников в окрестностях нашей Солнечной системы, максимум на расстоянии нескольких 1000 световых лет, что очень мало по сравнению с размерами нашей Галактики», — сказала в своем заявлении автор-корреспондент Катрин Эгбертс, руководитель экспериментальной физики астрочастиц в Потсдамском университете в Германии. (Для сравнения, Млечный Путь имеет размер около 100 000 световых лет).
Космические лучи — это высокоэнергетические частицы, порожденные Солнцем, звездными взрывами, называемыми сверхновыми, быстро вращающимися нейтронными звездами, называемыми пульсарами, и другими, неизвестными источниками. Когда лучи врезаются в верхние слои атмосферы Земли, они распадаются на ливни частиц, которые можно обнаружить на поверхности Земли. Но реконструкция лучей, породивших эти ливни частиц, — кропотливая и неопределенная задача.
Чтобы найти электроны космических лучей, исследователи использовали обсерваторию HESS, состоящую из пяти 40-футовых (12 метров) телескопов, расположенных на Хомасском нагорье в Намибии.
В течение десяти лет телескопы сканировали верхние слои атмосферы в поисках слабых признаков черенковского излучения, остающегося после быстро движущихся лучей. Подобно тому как самолет, летящий быстрее скорости звука, издает звуковой удар, частица, движущаяся сквозь замедляющуюся среду быстрее света, создает вокруг себя слабое голубое свечение.
Ища это свечение и используя сложные алгоритмы для отсеивания шумов, ученые создали энергетический спектр лучей, падающих на Землю, с беспрецедентной детализацией.
Количество этих лучей резко уменьшалось при увеличении энергии — значит, небольшим космическим детекторам будет трудно обнаружить их в достаточном количестве. Тем не менее присутствие особенно энергичных частиц дало ученым четкое указание на то, что по крайней мере некоторые источники лучей находятся вблизи нашей планеты.
«Очень низкие потоки при больших ТэВ ограничивают возможности космических миссий конкурировать с этим измерением», — сказал в своем заявлении автор-корреспондент Матье де Науруа, исследователь из Французского национального центра научных исследований в Париже. «Таким образом, наше измерение не только предоставляет данные в важнейшем и ранее неизученном диапазоне энергий, влияя на наше понимание местных окрестностей, но и, вероятно, останется эталоном на ближайшие годы».
Исследования, такие как это, открывают новую эру в понимании космических лучей и таинственных источников их энергии. Ученые продолжают искать возможные объяснения этих явлений, учитывая различные астрофизические процессы, которые могли бы производить такие высокоэнергетические частицы. В числе кандидатов на роль источников рассматриваются пульсары, регионы звездообразования, а также возможные остатки от взрывов гиперновых.
Эти новые данные также вызывают интерес в сообществе физиков, занимающихся теорией тёмной материи. Высказывается предположение, что некоторые из обнаруженных частиц могли бы быть результатом аннигиляции частиц тёмной материи. Если это так, то данные HESS могут оказать ключевую роль в поисках этой чрезвычайно таинственной формы материи, от присутствия которой зависит судьба и структура нашей Вселенной.
Дальнейшие наблюдения и анализы помогут лучше понять, насколько эти источники влияют на общее распределение энергии в Галактике. Поскольку природа космических лучей и их источников остаётся одной из наименее понятных областей в астрофизике, любое новое открытие в этой области способствует более полному пониманию структуры и динамики нашей Галактики. Будущие миссии и инициативы по обнаружению и анализу этих частиц будут строиться на данном открытии, пытаясь не только идентифицировать источники, но и раскрыть механизмы их рождения и распространения в галактическом масштабе.
С учетом значимости таких исследований, научное сообщество надеется на расширение сотрудничества между разными обсерваториями и международными организациями. Это позволит использовать комплексный подход к изучению космических лучей и нахождению ответов на долго живущие загадки об их происхождении и воздействии на нашу планету и Солнечную систему. С каждым шагом учёные приближаются к более полному пониманию нашего космического окружения и фундаментальных законов, управляющих Вселенной.
