Новое исследование вносит коррективы в наше понимание происхождения вещества в Млечном Пути

Новые выводы, опубликованные на этой неделе в журнале Physical Review Letters, позволяют предположить, что космические лучи углерода, кислорода и водорода движутся через галактику к Земле одинаково, но, что удивительно, железо попадает на Землю иначе.

Как рассказывает издание Американской ассоциации содействия развитию науки "EurekAlert!", получение больших знаний о том, как космические лучи движутся через галактику, поможет ответить на фундаментальный, затяжный вопрос в астрофизике: как вещество генерируется и распределяется по Вселенной?

"Так что означают эти результаты?" - задаётся вопросом Джон Кризманич, старший научный сотрудник Центра космических наук и техники (CSST) Государственного университета штата Мэриленд (UMBC). "Это индикаторы того, что происходит что-то интересное. И что это за что-то интересное, нам предстоит увидеть".

Космические лучи – это атомные ядра – атомы, лишенные своих электронов, – которые постоянно проносятся сквозь космос почти со скоростью света. Они попадают в атмосферу Земли с чрезвычайно высокими энергиями. Информация об этих космических лучах может дать ученым подсказки о том, откуда они взялись в галактике и какое событие их породило.

Прибор на Международной космической станции (МКС) под названием "Калориметрический электронный телескоп" (CALET) собирает данные о космических лучах с 2015 года. Данные содержат такие детали, как количество и типы прибывающих атомов, а также количество энергии, с которой они прибывают. Над новым исследованиям сотрудничали американские, итальянские и японские команды, которые управляют CALET, в том числе Кризманич и постдокторант Ник Каннади из UMBC.

Железо в движении

Космические лучи поступают на Землю с других мест галактики с огромным диапазоном энергий – где-то от 1 млрд вольт до 100 млрд млрд вольт. Прибор CALET – один из очень немногих в космосе, который способен передавать точные детали о космических лучах, которые он выявляет. График, называемый спектром космических лучей, показывает, сколько космических лучей поступает на детектор на каждом энергетическом уровне. Спектры космических лучей углерода, кислорода и водорода очень похожи, но ключевым выводом в новой работе является то, что спектр железа значительно отличается.

Существует несколько способов объяснить разницу между железом и тремя более легкими элементами. Космические лучи могут ускоряться и путешествовать через галактику по-разному, хотя ученые в целом считают, что последнее они понимают, говорит Кризманич.

"Следует подчеркнуть, что способы, которыми элементы поступают от источников к нам, разные, но может быть, что источники также разные", - добавляет Майкл Черри, почетный профессор физики Университета штата Луизиана (LSU) и соавтор новой работы. Ученые обычно считают, что космические лучи исходят из взрывающихся звезд (сверхновые), но нейтронные звезды или очень массивные звезды могут быть другими потенциальными источниками.

Точность следующего уровня

Такой инструмент, как CALET, важен для ответа на вопрос о том, как космические лучи ускоряются и перемещаются, и откуда они берутся. В прошлом главным источником данных о космических лучах были приборы на Земле или воздушные шары, пролетавшие высоко в атмосфере Земли. Но когда космические лучи достигают этих приборов, они уже взаимодействуют с земной атмосферой и распадаются на вторичные частицы. С помощью наземных приборов практически невозможно точно определить, сколько первичных космических лучей и какие элементы поступают, а также их энергии. Но CALET, находясь на МКС над атмосферой, может напрямую измерять частицы и точно различать отдельные элементы.

Железо является особенно полезным элементом для анализа, объясняет Каннади, постдокторант в CSST и бывший аспирант Черри в LSU. На пути к Земле космические лучи могут распадаться на вторичные частицы, и трудно различить первичные частицы, выброшенные из источника (например, сверхновой), от вторичных. Это усложняет выводы о том, откуда частицы первоначально поступили.

"По мере того, как все взаимодействует на пути к нам, вы по сути получаете преобразование одного элемента на другой", - говорит Каннади. "Железо уникальное, поскольку оно является одним из самых тяжёлых, которые можно синтезировать при обычной эволюции звезд, мы вполне уверены, с него почти все первичные космические лучи. Это единственный чистый первичный космический луч, тогда как в других случаях входят некоторые вторичные компоненты".

"Сделаны из звездной пыли"

Измерение космических лучей дает ученым уникальный взгляд на высокоэнергетические процессы, происходящие далеко-далеко. Космические лучи, поступающие в CALET, представляют "материал, из которого мы сделаны. Мы сделаны из звездной пыли", - говорит Черри. "А энергетические источники, такие как сверхновые, выбрасывают этот материал из своих внутренностей в галактику, где он распределяется, образует новые планеты, солнечные системы и... нас".

"Изучение космических лучей - это исследование того, как Вселенная образует и распределяет вещество, и как это влияет на эволюцию галактики", - добавляет Кризманич. "Итак, на самом деле это изучение астрофизики этого двигателя, называемого нами Млечным Путем, который разбрасывает все эти элементы вокруг".

Глобальные усилия

Японское космическое агентство запустило CALET и сегодня возглавляет миссию в сотрудничестве с командами США и Италии. В США к группе CALET входят исследователи из LSU; Центра космических полетов NASA им. Годдарда; UMBC; Университета Мэриленда в Колледж-Парке; Денверского университета; и Вашингтонского университета. Новая работа является пятой от этого чрезвычайно успешного международного сотрудничества, опубликованной в "Physical Review Letters" – одном из самых престижных журналов по физике.

CALET был оптимизирован для выявления электронов космических лучей, так как их спектр может содержать информацию об их источниках. Это особенно хорошо для источников, относительно близких к Земле в галактическом отношении: в пределах менее одной тридцатой расстоянии сквозь Млечный Путь. Но CALET также очень точно выявляет атомные ядра космических лучей. Сейчас эти ядра позволяют получить важную информацию об источниках космических лучей и о том, как они попали на Землю.

"Мы не ожидали, что ядра углерода, кислорода, железа, протоны действительно начнут демонстрировать некоторые из этих детальных отличий, четко указывающие на вещи, которых мы не знаем", - говорит Черри.

Это последнее изыскание создает больше вопросов, чем дает ответов, подчеркивая, что еще многое нужно узнать о том, как вещество образуется и движется по галактике. "Это фундаментальный вопрос: как создается вещество?", - говорит Кризманич. Но, добавляет он, "в этом суть того, почему мы занялись этим делом, чтобы попытаться понять больше о том, как работает Вселенная".

Статья в "Physical Review Letters" находится в открытом доступе.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.