Нове дослідження вносить корективи в наше розуміння походження речовини в Чумацькому Шляху

Нові висновки, опубліковані на цьому тижні у журналі Physical Review Letters, дозволяють припустити, що космічні промені вуглецю, кисню та водню рухаються через галактику до Землі однаково, але, що дивно, залізо потрапляє на Землю інакше.

Як розповідає видання Американської асоціації сприяння розвитку науки "EurekAlert!", отримання більших знань про те, як космічні промені рухаються через галактику, допоможе відповісти на фундаментальне, затяжне питання в астрофізиці: як речовина генерується і розподіляється по Всесвіту?

"То що означають ці результати?" - запитується Джон Кризманіч, старший науковий співробітник Центру космічних наук та техніки (CSST) Державного університету штату Меріленд (UMBC). "Це індикатори того, що відбувається щось цікаве. І що це за дещо цікаве, нам належить побачити".

Космічні промені – це атомні ядра – атоми, позбавлені своїх електронів, – які постійно проносяться крізь космос майже зі швидкістю світла. Вони потрапляють в атмосферу Землі з надзвичайно високими енергіями. Інформація про ці космічні промені може дати вченим підказки про те, звідки вони взялися в галактиці та яка подія їх породила.

Прилад на Міжнародній космічній станції (МКС) під назвою "Калориметричний електронний телескоп" (CALET) збирає дані про космічні промені із 2015 року. Дані містять такі деталі, як кількість та які типи атомів прибувають, а також кількість енергії, з якою вони прибувають. Над новим дослідженням співпрацювали американські, італійські та японські команди, які управляють CALET, у тому числі Кризманіч та постдокторант Нік Каннаді з UMBC.

Залізо в русі

Космічні промені надходять на Землю з інших місць галактики з величезним діапазоном енергій – десь від 1 млрд вольт до 100 млрд млрд вольт. Прилад CALET – один із дуже небагатьох у космосі, який здатний передавати точні деталі про космічні промені, які він виявляє. Графік, який називається спектром космічних променів, показує, скільки космічних променів надходить на детектор на кожному енергетичному рівні. Спектри космічних променів вуглецю, кисню та водню дуже схожі, але ключовим висновком у новій роботі є те, що спектр заліза значно відрізняється.

Існує кілька способів пояснити різницю між залізом та трьома легшими елементами. Космічні промені можуть прискорюватись і подорожувати через галактику по-різному, хоча вчені в цілому вважають, що останнє вони розуміють, каже Кризманіч.

"Слід підкреслити, що способи, якими елементи надходять від джерел до нас, різні, але може бути, що джерела також різні", - додає Майкл Черрі, почесний професор фізики Університету штату Луїзіана (LSU) і співавтор нової роботи. Вчені зазвичай вважають, що космічні промені походять від зірок, що вибухають (наднові), але нейтронні зірки або дуже масивні зірки можуть бути іншими потенційними джерелами.

Точність наступного рівня

Такий інструмент, як CALET, важливий для відповіді на питання про те, як космічні промені прискорюються і переміщуються, і звідки вони беруться. У минулому головним джерелом даних про космічні промені були прилади на землі або повітряні кулі, що пролітали високо в атмосфері Землі. Але коли космічні промені досягають цих приладів, вони вже взаємодіють із земною атмосферою і розпадаються на вторинні частинки. За допомогою приладів на Землі практично неможливо точно визначити, скільки первинних космічних променів і які елементи надходять, а також їх енергії. Але CALET, перебуваючи на МКС над атмосферою, може напряму вимірювати частинки і точно розрізняти окремі елементи.

Залізо є особливо корисним елементом для аналізу, пояснює Каннаді, постдокторант з CSST і колишній аспірант Черрі в LSU. На шляху до Землі космічні промені можуть розпадатися на вторинні частинки, і важко розрізнити первинні частинки, викинуті з джерела (наприклад, наднової), від вторинних. Це ускладнює висновки про те, звідки частинки початково надійшли.

"У міру того, як все взаємодіє на шляху до нас, ви по суті отримуєте перетворення одного елемента на інший", - говорить Каннаді. "Залізо унікальне, оскільки воно є одним із найважчих, що можна синтезувати під час звичайної еволюції зірок, ми цілком впевнені, з нього майже всі первинні космічні промені. Це єдиний чистий первинний космічний промінь, тоді як у інших випадках входять деякі вторинні компоненти".

"Зроблені із зоряного пилу"

Вимірювання космічних променів дає вченим унікальний погляд на високоенергетичні процеси, що відбуваються далеко-далеко. Космічні промені, що надходять на CALET, представляють "матеріал, з якого ми зроблені. Ми зроблені із зоряного пилу", - каже Черрі. "А енергетичні джерела, такі як наднові, викидають цей матеріал із своїх нутрощів у галактику, де він розподіляється, утворює нові планети, сонячні системи та... нас".

"Вивчення космічних променів – це дослідження того, як Всесвіт утворює і розподіляє речовину, і як це впливає на еволюцію галактики", - додає Кризманіч. "Отже, насправді це вивчення астрофізики цього двигуна, який ми називаємо Чумацьким Шляхом, що розкидає всі ці елементи навколо".

Глобальні зусилля

Японське космічне агентство запустило CALET і сьогодні очолює місію у співпраці з командами США та Італії. У США до групи CALET входять дослідники із LSU; Центру космічних польотів NASA ім. Годдарда; UMBC; Університету Меріленду у Коледж-Парку; Денверського університету; та Вашингтонського університету. Нова робота є п′ятою з цього надзвичайно успішного міжнародного співробітництва, що опублікована в "Physical Review Letters" – одному з найпрестижніших журналів з фізики.

CALET був оптимізований для виявлення електронів космічних променів, оскільки їх спектр може містити інформацію про їх джерела. Це особливо добре для джерел, які відносно близькі до Землі в галактичному відношенні: у межах менше однієї тридцятої відстані крізь Чумацький Шлях. Але CALET також дуже точно виявляє атомні ядра космічних променів. Зараз ці ядра дозволяють отримати важливу інформацію про джерела космічних променів та про те, як вони потрапили на Землю.

"Ми не очікували, що ядра вуглецю, кисню, заліза, протони дійсно почнуть демонструвати деякі з цих детальних відмінностей, які чітко вказують на речі, яких ми не знаємо", - каже Черрі.

Ця остання знахідка створює більше запитань, ніж дає відповідей, підкреслюючи, що ще багато чого потрібно дізнатись про те, як речовина утворюється і рухається по галактиці. "Це фундаментальне питання: як створюється речовина?", - каже Кризманіч. Але, додає він, "у цьому вся суть того, чому ми занялися цією справою, щоб спробувати зрозуміти більше про те, як працює Всесвіт".

Статья у "Physical Review Letters" знаходиться у відкритому доступі.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.