Astrofysikere forklarer den mystiske adfærd af kosmiske stråler

Et team af forskere fra Rusland og Kina har udviklet en model, der forklarer naturen af ​​højenergiske kosmiske stråler (CR'er) i vores galakse. Disse CR'er har energier, der overstiger dem, der produceres af supernovaeksplosioner, med en eller to størrelsesordener. Modellen fokuserer hovedsageligt på den nylige opdagelse af gigantiske strukturer kaldet Fermi-bobler.

Et af de vigtigste problemer i teorien om oprindelsen af ​​kosmiske stråler, som består af højenergiprotoner og atomkerner, er deres accelerationsmekanisme. Spørgsmålet blev behandlet af Vitaly Ginzburg og Sergei Syrovatsky i 1960'erne, da de foreslog, at CR'er genereres under supernovaeksplosioner (SN) i galaksen. En specifik mekanisme for ladede partikelacceleration af SN-chokbølger blev foreslået af Germogen Krymsky og andre i 1977. På grund af stødenes begrænsede levetid, det anslås, at den maksimale energi af de accelererede partikler ikke kan overstige 10 ¹⁴ -10 ¹⁵ eV.

Forklaring af arten af ​​partikler med energier over 10 ¹⁵ eV er nøglen. Et stort gennembrud i forskningen i sådanne partiklers accelerationsprocesser kom, da Fermi Gamma Ray-rumteleskopet opdagede to gigantiske strukturer, der udsendte stråling i gamma-strålebåndet i det centrale område af galaksen i november 2010. Strukturerne er aflange og symmetrisk placeret i det galaktiske plan vinkelret på dets centrum, forlænger 50, 000 lysår, eller omtrent halvdelen af ​​Mælkevejsskivens diameter. Disse strukturer blev kendt som Fermi-bobler. Senere, Planck-teleskopholdet opdagede deres emission i mikrobølgebåndet.

Naturen af ​​Fermi bobler er stadig uklar, men placeringen af ​​disse objekter indikerer deres forbindelse til tidligere eller nuværende aktivitet i centrum af galaksen, hvor et centralt sort hul på 10 ⁶ solmasser menes at være lokaliseret. Moderne modeller relaterer boblerne til stjernedannelse og/eller en energifrigivelse i det galaktiske centrum som et resultat af tidevandsafbrydelse af stjerner under deres tilvækst på et centralt sort hul. Lignende strukturer kan påvises i andre galaktiske systemer med aktive kerner.

Dmitry Chernyshov (MIPT kandidat), Vladimir Dogiel (MIPT-medarbejder) og deres kolleger fra Hong Kong og Taiwan har udgivet en række artikler om Fermi-boblernes natur. De har vist, at røntgen- og gammastråling i disse områder skyldes processer, der involverer relativistiske elektroner, der accelereres af chokbølger som følge af stjernestof, der falder ned i et sort hul. I dette tilfælde, chokbølgerne skal accelerere både protoner og kerner. Imidlertid, i modsætning til elektroner, relativistiske protoner med større masser mister næsten ingen energi i den galaktiske glorie og kan fylde hele galaksens rumfang. Forfatterne af papiret foreslår, at gigantiske Fermi-boblechokfronter kan genaccelerere protoner udsendt af SN til energier, der langt overstiger 10 ¹⁵ eV.

Analyse af kosmisk stråle-reacceleration viste, at Fermi-bobler kan være ansvarlige for dannelsen af ​​CR-spektret over "knæet" af det observerede spektrum, dvs. ved energier større end 3×10 ¹⁵ eV (energiområde "B" i fig. 2). For at sætte dette i perspektiv, energien af ​​accelererede partikler i Large Hadron Collider er også ~10 ¹⁵ eV.

"Den foreslåede model forklarer den spektrale fordeling af den observerede CR-flux. Det kan siges, at de processer, vi beskrev, er i stand til at genaccelerere galaktiske kosmiske stråler genereret i supernovaeksplosioner. I modsætning til elektroner, protoner har en væsentlig længere levetid, så når den accelereres i Fermi-bobler, de kan fylde galaksens rumfang og observeres nær Jorden. Vores model antyder, at de kosmiske stråler, der indeholder højenergiske protoner og kerner med energi lavere end 1015 eV (under energiområdet for det observerede spektrums "knæ"), blev genereret i supernovaeksplosioner i den galaktiske skive. Sådanne CR'er accelereres igen i Fermi-bobler til energier over 1015 eV (over "knæet"). Den endelige kosmiske strålefordeling er vist på spektraldiagrammet, " siger Vladimir Dogiel.

Forskerne har foreslået en forklaring på ejendommelighederne i CR-spektret i energiområdet fra 3×10 ¹⁵ til 10 ¹⁸ eV (energiområde "B" i fig. 2). Forskerne beviste, at partikler produceret under SN-eksplosionerne, og som har energier lavere end 3×10 ¹⁵ eV oplever genacceleration i Fermi-bobler, når de bevæger sig fra den galaktiske skive til haloen. Rimelige parametre i modellen, der beskriver partiklernes acceleration i Fermi-bobler, kan forklare arten af ​​spektret af kosmiske stråler over 3×10 ¹⁵ eV. Spektret under dette interval forbliver uforstyrret. Dermed, modellen er i stand til at producere spektralfordeling af kosmiske stråler, der er identisk med den observerede.