Ученые смогли зафиксировать космические электроны и позитроны с беспрецедентной энергией, вероятно ускоренные пульсаром в пределах нескольких тысяч световых лет от Земли.

Об открытии рассказывает блог «Цікава Наука» со ссылкой на пресс-релиз Общества им. Макса Планка (MPG).

Во Вселенной существуют экстремальные среды — от холодных температур до самых энергичных источников. Экстремальные объекты, такие как остатки сверхновых, пульсары или активные галактические ядра, производят заряженные частицы и гамма-излучение с энергией, намного превышающей энергию тепловых процессов, таких как ядерный синтез внутри звезд.

В то время как производимое такими объектами гамма-излучение пересекает пространство без препятствий, заряженные частицы — или космические лучи — отклоняются вездесущими магнитными полями во Вселенной и достигают Земли равномерно со всех направлений. Это означает невозможность напрямую определить происхождение излучения. Кроме того, заряженные частицы теряют энергию из-за взаимодействия со светом и магнитными полями. Эти потери особенно сильны для наиболее энергичных электронов и позитронов (античастицы электронов, имеющих положительный заряд) с энергией выше тераэлектронвольт. Когда приборы на Земле измеряют заряженные космические частицы таких высоких энергий, это означает, что они не могли далеко пролететь. Это указывает на существование мощных естественных ускорителей частиц вблизи Солнечной системы.

В новом анализе, в котором использовались данные пяти телескопов Обсерватории H.E.S.S. в Намибии, было впервые сужено представление о том, откуда берутся эти космические частицы.

Астрофизики проанализировали огромный массив данных, собранных в течение десятилетия. Они использовали новые и строгие алгоритмы отбора для обнаружения космических электронов с беспрецедентно низким фоновым загрязнением. Это позволило получить статистически качественный набор данных для анализа космических электронов. В частности, исследователи смогли измерить электроны и позитроны с энергией до 40 ТэВ.

«Наше измерение не только предоставляет данные в важном и ранее неисследованном энергетическом диапазоне, влияя на наше понимание местности, но и, вероятно, останется эталоном на ближайшие годы», - говорит Вернер Хофманн из Института ядерной физики имени Макса Планка в Гейдельберге.

В спектре, который характеризуется сравнительно небольшими погрешностями при энергиях в тераэлектронвольтах, бросается в глаза заметный излом на уровне около одного ТэВ. Как выше, так и ниже этого излома спектр следует степенному закону без каких-либо других аномалий.

В MPG объясняют: чтобы выяснить, какой астрофизический процесс ускорил электроны до таких высоких энергий и каково происхождение перегиба, исследователи сравнивают эти данные с предсказаниями моделей. Кандидатами на источник являются пульсары — звездные остатки с сильными магнитными полями. Некоторые пульсары выдувают ветер заряженных частиц в свое окружение, и магнитный ударный фронт этого ветра может быть местом, где частицы испытывают ускорение. То же самое касается ударных фронтов остатков сверхновых. Компьютерные модели показывают, что ускоренные таким образом электроны летят в космос с определенным распределением энергии. Эти модели отслеживают электроны и позитроны, когда они движутся по Млечному Пути, и вычисляют, как меняется их энергия при взаимодействии с магнитными полями и светом в нашей галактике. В этом процессе частицы теряют столько энергии, что их первоначальный энергетический спектр искажается. На последнем этапе астрофизики пытаются сопоставить свою модель с данными, чтобы узнать больше о природе астрофизических источников.

Но какой объект выбросил в космос электроны, которые измерили телескопы? Спектр частиц с энергией ниже одного тераэлектронвольта, как предполагают астрофизики, состоит из электронов и позитронов от различных пульсаров или остатков сверхновых. При более высоких энергиях, однако, возникает другая картина: энергетический спектр резко падает примерно от одного тераэлектронвольта. Это также подтверждается моделями, изучающими частицы, ускоренные астрономическими источниками, и их диффузию в галактическом магнитном поле. Этот переход на уровне одного тераэлектронвольта является особенно выраженным и чрезвычайно резким, отмечают в MPG.

«Это важный результат, поскольку мы можем сделать вывод, что измеренные электроны, скорее всего, происходят из очень немногих источников вблизи нашей Солнечной системы, максимум на расстоянии до 1000 световых лет», - говорит Катрин Эгбертс из Потсдамского университета. Это расстояние относительно небольшое по сравнению с размерами Млечного Пути.

«Источники на разных расстояниях значительно смыли бы этот перегиб», - заметила Эгбертс.

По словам Хофманна, даже один пульсар может быть ответственным за электронный спектр при высоких энергиях. Однако не понятно, какой именно. Поскольку источник должен быть очень близко, под вопросом лишь несколько пульсаров.

Результаты работы были опубликованы в журнале American Physical Society.