Космические лучи — потоки высокоэнергетических частиц (ядер атомов, электронов, позитронов, гамма-квантов и нейтрино), движущихся почти со скоростью света, — остаются одной из самых интригующих загадок астрофизики. Учёные до сих пор точно не знают, где и как эти частицы разгоняются до колоссальных энергий. Предполагается, что источниками могут быть остатки сверхновых, быстро вращающиеся нейтронные звёзды или аккрецирующие чёрные дыры.
Новые результаты, полученные китайским спутником DAMPE (Dark Matter Particle Explorer), дают ключевые наблюдательные подтверждения одной из старых теоретических моделей. Результаты были опубликованы в журнале Nature.
Что показал спутник
Обработав данные наблюдений с 2016 по 2024 год, научная группа DAMPE измерила энергетические спектры пяти наиболее распространённых типов частиц космических лучей: протонов, гелия, углерода, кислорода и железа. Оказалось, что при достижении определённого высокоэнергетического порога количество всех этих частиц синхронно резко уменьшается — это явление называется «спектральное размягчение». Ключевое открытие состоит в том, что этот порог наступает при жёсткости (параметре, отражающем устойчивость частицы к отклонению магнитным полем) около 15 тераэлектронвольт.
Причём этот предел определяется не массой частицы, как предполагали некоторые конкурирующие модели, а её электрическим зарядом: чем больше заряд, тем выше максимальная энергия, до которой частица может быть ускорена. Физический смысл этого прост: в мощных магнитных полях частицы с меньшим зарядом легче отклоняются и достигают предела ускорения раньше, чем тяжёлые многозарядные ионы. Такая зависимость была предсказана датскими физиками ещё в 1961 году, но более чем за шестьдесят лет никому не удавалось её подтвердить. Спутник DAMPE впервые предоставил прямое наблюдательное доказательство её существования, причём модель зависимости от массы была отвергнута с достоверностью более 99,999%. Энергетическая зависимость подтверждена для протонов с достоверностью 4,8σ, а для гелия и более тяжёлых ионов — от 4,9σ до 5,7σ.
Суперускоритель неподалёку
Из полученных данных следует, что в космическом пространстве на расстоянии порядка тысячи световых лет от Земли работает естественный «сверхмощный ускоритель частиц». Предыдущие исследования направленного распределения космических лучей указывают, что этот источник находится в стороне от ядра Млечного Пути. Иными словами, учёные впервые получили экспериментальные свидетельства компактной и мощной ускорительной зоны в нашем галактическом окружении, которая рождает частицы рекордных энергий. Важно, что впервые были проведены прямые измерения для углерода, кислорода и железа — их максимальная измеренная энергия была повышена почти на порядок по сравнению с предыдущими экспериментами, что и позволило обнаружить эффект.
Состояние миссии
Спутник DAMPE был запущен в конце 2015 года как первый китайский астрономический спутник. Хотя расчётный срок службы составлял всего три года, он продолжает стабильно работать на орбите уже более десяти лет. Его основная задача — поиск следов тёмной материи через высокоточные наблюдения космических частиц, а также изучение происхождения и распространения космических лучей. За это время аппарат зарегистрировал около 18,5 миллиарда событий взаимодействия высокоэнергетических частиц. По сравнению с зарубежными аналогами, он выделяется широким энергетическим охватом, точностью измерения энергии и способностью чётко идентифицировать тип частицы. Накопление новых данных может в будущем пролить свет на окончательную разгадку природы тёмной материи и механизмов рождения самых энергичных космических лучей во Вселенной.