Сверхвысокоэнергетические космические лучи, порождаемые в экстремальных астрофизических условиях, в частности, вблизи мощных нейтронных звезд или черных дыр, обладают энергией, превышающей в миллионы раз показатели, достигаемые на крупнейшем ускорителе частиц нашей планеты — Большом адронном коллайдере. Источник их невероятной энергии долгое время оставался загадкой, но новая работа астрофизиков предлагает революционное объяснение этому явлению.
Долгие годы эксперты предполагали, что источником невероятной энергии космических лучей являются возникающие в космосе ударные волны. Например, такие волны образуются в процессе взрывов массивных звезд, которые завершаются коллапсом и превращением в черные дыры. Однако новая работа показала, что более вероятным механизмом появления у космических лучей столь значительного уровня энергии может быть магнитная турбулентность.
Исследователи выяснили, что в экстремальных астрофизических средах происходит запутывание магнитных полей и их хаотичное перемещение, в процессе которого частицы быстро ускоряются до чрезвычайно высоких энергий. Эти магнитные процессы обеспечивают резкий рост энергии частиц до определенного предела.
«Полученные нами результаты помогают ответить на вопросы, уже давно нас интересовавшие», — отметил соавтор работы Лука Комиссо.
Открытие дополняет результаты предыдущих исследований, которые Комиссо и его коллеги опубликовали в прошлом году. Тогда они установили, что магнитные поля на Солнце — в частности, в короне звезды — также играют важную роль в ускорении частиц, хотя энергия солнечных частиц несравнимо меньше.
Для понимания масштабов различий достаточно сравнить значения: частицы, ускоряемые Солнцем, достигают энергии до 1010 электрон-вольт, в то время как энергия космических лучей может достигать колоссальных 1020 электрон-вольт. Это разница в десять порядков величины. Чтобы осознать этот разрыв, представьте разницу в массе зернышка риса и гигантского авиалайнера.
«Удивительно, что настолько разные среды, как солнечная корона и области вокруг черных дыр, имеют что-то общее: магнитные поля обоих этих сред крайне запутаны, и именно это запутанное состояние играет решающую роль в ускорении частиц», — добавил Комиссо.
Соавтор работы, профессор физики Гленнис Р. Фаррар отметила, что данные по сверхвысокоэнергетическим космическим лучам явно подтверждают теорию магнитной турбулентности, оставляя гипотезу ударных волн в прошлом. «Это настоящая революция для нашей области исследований», — заявила она.
Понимание механизма ускорения частиц может привести к дальнейшим достижениям как в астрофизике, так и в физике высоких энергий, а также помочь в разработке более точных моделей космических явлений.
Ранее новый телескоп помог изучить скрытую черную дыру в запутанной системе.