Источники первичных космических лучей

Уже более полувека строятся различные гипотезы, где рождаются и как ускоряются космические лучи до столь высоких энергий, ведь лучшие лабораторные ускорители на Земле разгоняют частицы только до энергии порядка 10¹² эВ. Первые попытки объяснения происхождения космических лучей были основаны именно на энергетических оценках. Прежде всего, необходимо было найти астрономические объекты, которые по мощности выделяемой энергии могли бы быть ответственны за полную энергию космических лучей, аккумулированную в настоящее время в Галактике, и поддерживающими более или менее постоянную во времени плотность космических лучей. Эта проблема, по-видимому, уже решена в первом приближении, и ее решение дано в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН академиком В.Л. Гинзбургом. Согласно его идее, космические лучи образуются преимущественно при взрывах сверхновых звезд, вспыхивающих в нашей Галактике в среднем раз в 30 лет.

Еще старинные летописи и хроники сообщают, что изредка на небе внезапно появлялись звезды исключительно большой яркости. Они быстро увеличивали яркость, а затем медленно, в течение нескольких месяцев угасали и переставали быть видимыми. Вблизи максимума блеска этих звезд они были видны даже днем. Наиболее яркими были вспышки в 1006 и 1054 годах, сведения о которых содержатся в китайских и японских трактатах.

Рис. 5.6. Сверхновая 1987 г. до (справа) и после (слева) вспышки.

В 1572 году такая звезда вспыхнула в созвездии Кассиопеи и наблюдалась выдающимся астрономом Тихо Браге, а в 1604 году подобную вспышку в созвездии Змееносца наблюдал Иоганн Кеплер. С тех пор, за четыре столетия «телескопической» эры в астрономии подобных вспышек в нашем секторе Галактики не наблюдалось. Однако с развитием наблюдательной астрономии ученые получили возможность обнаруживать вспышки Сверхновых в других Галактиках. И сейчас уже достаточно хорошо известна как частота взрывов SN, так и детали взрывов. Вспышка SN в 1987 г., произошедшая недалеко от нашей Галактики в большом Магеллановым облаке, уже была встречена в полном астрономическом вооружении. От нее даже зарегистрирована вспышка ожидаемого нейтринного излучения. На рис.6 показано, как эта звезда выглядела до и после взрыва.

Вспышка Сверхновой - конец эволюции массивной звезды с массой, в 8-10 раз превышающей массу Солнца. Энергия взрыва SN, передающаяся в оболочку, сбрасываемую во время взрыва, в настоящее время оценивается как 10⁵¹ эрг, но не исключено, что существуют и в десятки раз более энергичные взрывы, они получили название Гиперновых. Освободившейся при вспышке сверхновой энергии более чем достаточно, чтобы полностью рассеять в пространстве вещество звезды. После взрыва звезда перестает существовать в прежнем виде, и если считать, что несколько процентов этой кинетической энергии пойдет на ускорение ядер и электронов, то при частоте взрывов SN раз в 30-50 лет сверхновые могут обеспечить наблюдаемую плотность энергии космических лучей в нашей Галактике. Именно эта оценка явилось одним из оснований, позволивших в течение последних десятков лет рассматривать SN как основной источник космических лучей в Галактике.

Сбрасываемая с огромной скоростью оболочка звезды называется остатком сверхновой – SNR (R означает по-английски остаток – remnant). В большей части сверхновых после взрыва еще остается и компактный остаток – вращающаяся нейтронная звезда, которая может регистрироваться астрономами как пульсар, излучающий радиоволны с периодичностью от долей секунды до 2-3 секунд. Например, в центре Крабовидной туманности, изображенной выше, находится пульсар. А в сверхновой 1987 пульсар не виден. Ученые предполагают, что если взрывается очень массивная звезда с массой более 20 масс Солнца, то в центре может образоваться не нейтронная звезда, а черная дыра. Во многих работах было показано, что частицы очень эффективно могут ускоряться в магнитосферах пульсаров, поскольку быстро вращающаяся, с сильным магнитным полем нейтронная звезда генерирует колоссальную разницу потенциалов на поверхности и в магнитосфере, что создает условия для ускорения частиц до энергий 10¹²-10¹³ эВ. Но все же наиболее вероятным механизмом ускорения космических лучей считается ускорение на фронтах ударных волн в оболочках сверхновых.

Рис. 5.7. Сброшенная оболочка Сверхновой II типа, взорвавшейся в 1054 г. Крабовидная туманность.

Расширяющаяся оболочка собирает и сжимает окружающий ее газ. Возникает ударная волна, как при взрыве атомной бомбы, только в миллиарды и миллиарды раз сильнее. По современным представлениям, наиболее вероятным механизмом ускорения галактических космических лучей от тепловых до энергий вплоть до 10¹⁵ эВ является статистическое ускорение частиц на фронтах ударных волн SNR. Суть этого механизма (предложенного Э.Ферми) состоит в том, что при многократных столкновениях заряженной частицы c движущимися намагниченными облаками, энергия частицы в среднем при каждом столкновении возрастает. Если эти магнитные неоднородности движутся в одном направлении, то возрастание энергии уже происходит столь быстро, что оказывается достаточным для объяснения энергетических спектров галактических космических лучей. Именно такая ситуация, похоже, складывается около фронта ударной волны SN, где существуют магнитные неоднородности (завихрения плазмы) по обе стороны фронта. Частицы межзвездного вещества, попавшие в процесс ускорения, под воздействием магнитного поля множество раз пересекают фронт ударной волны, с каждым пересечением набирая дополнительную энергию. Процесс статистический, поэтому с некоторой вероятностью частицы могут и покидать область ускорения в каждом цикле. Это объяснение тому, что число частиц маленьких энергий гораздо больше, чем больших, отсюда возникает степенное распределение по энергии.

На рис. 5.8 изображен вырезанный конус ударной волны, из которой, как «космические пули» (название дано сотрудниками Центра космических полетов им. Годдарда (НАСА)) вылетают космические лучи. Однако частицы при очень высоких энергиях уже с трудом разворачиваются магнитным полем, и когда радиус траектории разворота заряженной частицы под действием определенного магнитного поля становится сравнимым с радиусом ударной волны, частицы окончательно покидают ее и перестают ускоряться. Это является естественной границей ускорения. В последние годы была предложена идея, что космические лучи, колеблющиеся около фронта ударной волны, как поток заряженных частиц, сами могут генерировать дополнительные магнитные поля, в десятки и сотни раз превышающие среднее магнитное поле в среде. И такие поля на кромке расширяющихся оболочек сверхновых действительно наблюдаются астрономами. Благодаря этому эффекту частицы могут удерживаться около фронта ударной волны, даже обладая энергией 10¹⁵ эВ, т.е. достигнув энергии, близкой к области колена в спектре галактических космических лучей. Вопрос ускорения галактических космических лучей до более высоких энергий остается открытым и вызывает острые дискуссии.

Может возникнуть вопрос, почему не рассмотреть в качестве основных источников космических лучей квазары и радиогалактики, в которых содержится в тысячи раз больше космических лучей, чем в обычных галактиках? Однако, хотя энергия, выделяемая квазарами, порядка энергии, выделяемой всеми активными галактиками, но число квазаров в 10⁵ раз меньше полного числа галактик. Количество же радиогалактик порядка нескольких сотен, т. е. в тысячу раз меньше числа нормальных галактик, поэтому их суммарное энерговыделение оказывается на три порядка меньше энерговыделения всех галактик.