Галактическая «комета» под названием Terzan 5 осветила 100-летнюю загадку о космических лучах

Эта звездная диковинка позволила нам изучить поведение космических лучей — высокоэнергетических частиц, чьи нестабильные пути через космос озадачивают астрономов с момента их открытия в 1912 году.

Наблюдая за излучением космических лучей Терзана 5, мы впервые в истории науки измерили, как быстро эти частицы меняют направление из-за колебаний межзвездных магнитных полей. Наше исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.

Быстро меняющееся излучение из космоса

Космические лучи — это то, чего никто не ожидал. Когда в 1890-х годах впервые была открыта радиоактивность, ученые считали, что все источники радиации находятся на Земле.

Но в 1912 году австрийско-американский физик Виктор Гесс измерил уровень радиации на высотном воздушном шаре и обнаружил, что он намного выше, чем на уровне земли, даже во время затмения, когда солнце было закрыто. Это означало, что радиация должна исходить из космоса.

Сегодня мы знаем загадочное излучение, обнаруженное Гессом, как космические лучи: атомные ядра и элементарные частицы, такие как протоны и электроны, которые каким-то образом были разогнаны почти до скорости света. Эти частицы проносятся через межзвездное пространство, и благодаря их высокой энергии небольшая часть из них может проникать в верхние слои атмосферы, как обнаружил Гесс.

Но мы не можем легко определить, откуда они приходят. Космические лучи — это заряженные частицы, а значит, направление их движения меняется, когда они сталкиваются с магнитным полем.

Статичная картина космоса космических лучей

Эффект магнитного отклонения лежит в основе технологии старых мониторов и телевизоров с катодно-лучевой трубкой (ЭЛТ), которые используют его для направления электронов к экрану, чтобы создать изображение. Межзвездное пространство полно магнитных полей, и эти поля постоянно колеблются, отклоняя космические лучи в случайных направлениях — примерно как сломанная ЭЛТ в старом телевизоре, который показывает только статику.

Поэтому вместо того, чтобы космические лучи шли к нам прямо от своего источника, как свет, они распространяются по галактике почти равномерно. Здесь, на Земле, мы видим, что они приходят почти одинаково со всех сторон неба.

Хотя мы теперь понимаем эту общую картину, большинство деталей отсутствует. Равномерность космических лучей по небу говорит нам о том, что направления космических лучей случайным образом меняются, но у нас нет хорошего способа измерить, насколько быстро происходит этот процесс.

Мы также не понимаем конечного источника магнитных флуктуаций. Или не понимали до сих пор.

Терзан 5 и смещенные гамма-лучи

Вот тут-то и приходит на помощь Терзан 5. Это звездное скопление является обильным производителем космических лучей, поскольку содержит большую популяцию быстро вращающихся, невероятно плотных и намагниченных звезд, называемых миллисекундными пульсарами, которые разгоняют космические лучи до чрезвычайно высоких скоростей.

Эти космические лучи не долетают до Земли благодаря колебаниям магнитного поля. Однако мы можем заметить признаки их присутствия: некоторые из космических лучей сталкиваются с фотонами звездного света и превращают их в высокоэнергетические незаряженные частицы, называемые гамма-лучами.

Гамма-лучи движутся в том же направлении, что и породившие их космические лучи, но, в отличие от космических лучей, гамма-лучи не отклоняются магнитными полями. Они могут двигаться по прямой линии и достигать Земли.

Из-за этого эффекта мы часто видим гамма-лучи, исходящие от мощных источников космических лучей. Но в Terzan 5 гамма-лучи почему-то не совпадают с положением звезд. Вместо этого они, похоже, исходят из области на расстоянии около 30 световых лет, где нет очевидного источника.

Комета галактического масштаба

Это смещение было необъяснимой диковинкой с момента его обнаружения в 2011 году, пока мы не придумали ему объяснение.

Сегодня Терцан 5 находится близко к центру нашей галактики, но это не всегда так. На самом деле звездное скопление движется по очень широкой орбите, которая большую часть времени держит его далеко от плоскости галактики.

Так получилось, что сейчас оно проносится над галактикой. Из-за того, что скорость падения составляет сотни километров в секунду, скопление вздымает вокруг себя плащ из магнитных полей, подобно хвосту кометы, проносящейся сквозь солнечный ветер.

Космические лучи, запущенные скоплением, сначала направляются вдоль хвоста. Мы не видим гамма-лучей, которые эти космические лучи производят, потому что хвост не направлен прямо на нас — эти гамма-лучи направлены вдоль хвоста и в сторону от нас.

И вот тут-то и возникают магнитные флуктуации. Если бы космические лучи оставались на одной линии с хвостом, мы бы их никогда не увидели, но благодаря магнитным флуктуациям их направления начинают меняться.

В конце концов, некоторые из них направляются в нашу сторону, создавая гамма-излучение, которое мы можем увидеть. Но на это уходит примерно 30 лет, поэтому и кажется, что гамма-лучи исходят не от самого скопления.

К тому времени, когда на нас будет направлено достаточно ярких гамма-лучей, чтобы их можно было увидеть, они пройдут 30 световых лет по магнитному хвосту скопления.

Космические лучи и межзвездные магнитные поля

Итак, благодаря Terzan 5 мы впервые смогли измерить, сколько времени требуется магнитным флуктуациям, чтобы изменить направление космических лучей. Мы можем использовать эту информацию для проверки теорий о том, как работают межзвездные магнитные поля и откуда берутся их флуктуации.

Это делает нас на шаг ближе к пониманию загадочного космического излучения, открытого Гессом более 100 лет назад.