Астрономы, участвующие в российском эксперименте НУКЛОН, обнаружили новые явления в физике галактических космических лучей.
Участники российского эксперимента по исследованию космических лучей с помощью орбитальной обсерватории космических лучей НУКЛОН представили результаты первого года работы. Исследование опубликовано в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP). Препринт работы можно посмотреть на сайте arxiv.org. В состав команды исследователей входит 9 российских организаций во главе с Научно-исследовательским институтом ядерной физики имени Д.В. Скобельцына (НИИЯФ) МГУ.
Российским астрономам удалось измерить энергетические спектры основных ядер различных химических элементов (p, He, C, O, Ne, Mg, Si и Fe) в составе космических лучей до недостижимых ранее энергий. Но самое интересное, что анализ этих спектров указал на существование целого ряда новых явлений, которые не вписываются в современные представления о механизмах ускорения космических лучей до гигантских энергий и их распространения сквозь Галактику. Возможно, они приведут к уточнению этих представлений.
Галактические космические лучи (ГКЛ) представляют собой потоки заряженных частиц с очень высокими скоростями и соответственно энергиями, пронизывающие межзвездное пространство. Они несут важную информацию о наиболее энергичных процессах во Вселенной. Поэтому их исследование – одна из важных задач современной астрономии. Основной характеристикой космических лучей служат их спектры энергий, представляющие собой зависимости интенсивности (мощности потока) космических лучей от энергии составляющих их частиц.
Математически измеренные в широчайшем диапазоне энергий (примерно от 1010 эВ до 1020 эВ на частицу) спектры имеют вид, довольно близкий к убывающей степенной функции с показателем приблизительно от 2.5 до чуть больше 3, изменяющимся на протяжении этого энергетического диапазона. Такие спектры называют степенными.
В начале 1960-х годов В.Л. Гинзбург и С.И. Сыроватский показали, что основные характерные особенности поведения космических лучей, включая полную энергетику и степенной спектр энергий, хорошо согласуются с предположением, что основным источником ГКЛ являются оболочки взрывов сверхновых звезд.
В конце 1970-х это предположение было подкреплено теорией ускорения заряженных частиц на фронте ударной волны расширяющейся оболочки сверхновой Г.Ф. Крымского и А.Р. Белла. А совсем недавние исследования астрофизиков МФТИ позволили объяснить поведение спектра на высоких энергиях подобными процессами в Пузырях Ферми.
Хотя эксперимент NUCLEON находится на начальной стадии, и результаты до сих пор носят предварительный характер, уже можно с уверенностью сказать, что его данные дают многочисленные указания на существование различных нестандартных явлений в физике космических лучей, которые проявляются в нарушении степенного закона энергетических спектров. Кроме того, обнаружены различия спектров протонов и гелия, тяжелых ядер и ядер железа и др.
Возможно, часть из открытых явлений могут быть объяснены уже известными теоретикам механизмами. Так, различие между спектрами тяжелых ядер и ядер железа может быть частично связано с эффектами распространения ГКЛ в так называемых «суперпузырях» — распространяющихся в межзвездной среде остатков гибнущих звезд. Однако обсуждение этих явлений только начинается.
Найдены и совершенно новые эффекты, например, разрывы некоторых спектров при определенных энергиях, которые еще требуют подтверждения. Поэтому обсуждение их физической природы даже не началось. Эти явления расположены в слабо исследованном диапазоне энергий от 10 ТэВ до нескольких сотен ТэВ на частицу, которые стали доступны только в эксперименте НУКЛОН. Исследователи надеются уточнить результаты в ходе дальнейших исследований. Ожидается, что орбитальная обсерватория НУКЛОН будет работать в космосе не менее пяти лет.
Стоит отметить еще один важный момент в эксперименте НУКЛОН. Разработанные и испытанные в его ходе технические решения и приобретенный опыт будут использованы при планировании будущих космических миссий. Ведь перед разработчиками стояла непростая задача создания научной аппаратуры относительно небольшого веса (менее 500 кг) и габаритных размеров (менее 1 м3), способной решать задачи экспериментальной физики космических лучей в широком диапазоне энергий.
Для справки. Научная аппаратура НУКЛОН размещена на борту космического аппарата Ресурс-П №2 выведенного на орбиту в конце декабря 2014 года. В январе-феврале 2015 года она успешно прошла летные испытания и начала набор научной информации.