Космический телескоп обнаружил универсальную закономерность в космических частицах, которую исследователи пытались идентифицировать с 1912 года. Спутник DAMPE обнаружил ту же особенность в нескольких ядрах космических лучей, от легких протонов до ядер железа. Открытие, опубликованное в журнале Nature, может, наконец, раскрыть, как эти частицы ускоряются и переносятся по Вселенной после десятилетий научных дебатов.
Исследование указывает на общий физический принцип, который управляет поведением всех этих частиц, независимо от их массы или состава. Ученые достигли уровня достоверности 99,999% при проверке этой теории на основе альтернативных моделей, что стало важной вехой в современной астрофизике.
Узор, который проявляется во всех частицах
Данные DAMPE выявили явление, называемое спектральным смягчением, в нескольких типах космических лучей. Количество обнаруженных частиц внезапно падает после определенного порога жесткости, а именно около 15 тераэлектронвольт. Это резкое сокращение последовательно проявляется в протонах, гелии, углероде, кислороде и железе.
Андрей Тихонов, доцент кафедры ядерной физики и физики элементарных частиц Женевского университета и соавтор исследования, объяснил состав этих частиц и их энергетические уровни:
- Протоны: первичные частицы космических лучей
- Ядра гелия, углерода, кислорода и железа: вторичные компоненты
- Низкая энергия: до нескольких миллиардов электронвольт.
- Промежуточная энергия: от нескольких миллиардов до нескольких сотен миллиардов электронвольт.
- Высокая энергия: более 1000 миллиардов электронвольт.
Жесткость, измеряемая в тераэлектронвольтах, описывает, насколько сильно заряженная частица сопротивляется изгибу магнитными полями при ее движении в пространстве. Это свойство оказалось более фундаментальным, чем энергия на нуклон — концепция, которая легла в основу большинства предыдущих исследований.
Многовековой квест завершился
Космические лучи — это заряженные частицы, которые путешествуют по галактике с чрезвычайно высокими энергиями. Ученые полагают, что они возникают в результате жестоких астрофизических явлений, включая взрывы сверхновых, пульсары и струи, испускаемые черными дырами. Уже более ста лет исследователи обсуждают точные механизмы ускорения и транспорта этих частиц.
Телескоп DAMPE, аббревиатура которого расшифровывается как Dark Matter Particle Explorer, был запущен в декабре 2015 года с первоначальной целью обнаружения темной материи. Собранные с тех пор данные предоставили беспрецедентный объем информации о космических лучах высоких энергий. Орбитальная миссия спутника позволила проводить непрерывные наблюдения, которые выявили закономерности, которые невозможно обнаружить с помощью наземных инструментов.
Как жесткость объясняет универсальное поведение
Наблюдения DAMPE убедительно подтверждают, что космические лучи формируются за счет жесткости, а не энергии, разделенной на количество нуклонов. Старые модели, основанные на этом последнем показателе, плохо согласуются с данными, собранными спутником за последние десять лет. Это открытие накладывает более строгие ограничения на существующие модели ускорения частиц в экстремальных астрофизических условиях.
Исследователи говорят, что полученные результаты помогают лучше понять, как космические лучи приобретают огромную энергию перед тем, как пересечь межзвездное пространство. Понимание этого механизма имеет фундаментальное значение для понимания динамики жестоких космических явлений. Роль магнитных полей, ударных волн и жестоких космических явлений до сих пор частично обсуждается, но теперь имеются гораздо более веские доказательства.
Это исследование представляет собой значительный прогресс в астрофизике элементарных частиц. Продемонстрировав, что разные типы космических лучей подчиняются одному и тому же универсальному физическому правилу, учёные открыли новые перспективы для понимания того, как природа ускоряет и переносит частицы с экстремальными энергиями по космосу.