Откуда берутся космические лучи?

Космические лучи, потоки высокоэнергетических частиц, регулярно бомбардируют Землю из глубокого космоса. Несмотря на их повсеместное распространение, их происхождение остается загадочным и вызывает научный интерес уже более века.

Что такое космические лучи?

Космические лучи — это высокоэнергетические заряженные частицы, которые движутся со скоростью, близкой к скорости света, и постоянно бомбардируют земную атмосферу. Их открытие относится к началу XX века, а сам термин “космические лучи” был введен в 1925 году физиком Робертом Милликаном.

Теперь мы знаем, что каждый день на Землю попадают миллиарды этих частиц. К счастью, подавляющее большинство из них останавливается магнитосферой — защитным магнитным слоем, окружающим планету, и атмосферой. Эти естественные барьеры действуют как фильтр, позволяя лишь части космических лучей достигать поверхности Земли.

Состав этих лучей варьируется, но более 90 % из них — это ядра водорода, в основном протоны. Около 9 % составляют ядра гелия, а оставшийся 1 % – ядра более тяжелых элементов, вплоть до железа. Эти частицы, известные как адронные, состоят из адронов, таких как протоны и нейтроны. Адроны состоят из фундаментальных частиц, называемых кварками.

Как космические лучи становятся такими энергичными?

Тайна космических лучей заключается в том, как эти частицы достигают чрезвычайно высоких энергий, которые приводят их в движение со скоростью, близкой к скорости света. Мы также знаем, что эти частицы могут достигать энергии до 10²⁰ электронвольт (эВ). Для сравнения, земные ускорители, такие как Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе, могут разгонять частицы до гораздо меньших энергий, вплоть до 10¹³ эВ.

Согласно одной из теорий, космические частицы могут ускоряться за счет ударных фронтов, возникающих при столкновении материалов, движущихся на чрезвычайно высоких скоростях, с более медленными средами. Такое столкновение приводит к резкому изменению среды, создавая турбулентное магнитное поле, которое может выступать в качестве мощного естественного ускорителя космических частиц.

Сверхновые – взрывы, происходящие в результате гибели массивных звезд, — считаются вероятными кандидатами на генерацию космических лучей. Когда происходит взрыв сверхновой, внешние слои звезды выбрасываются с огромной скоростью и сталкиваются с межзвездной средой, образуя яркий остаток сверхновой. Есть свидетельства того, что эти остатки могут ускорять частицы до энергий порядка 10⁹ – 10¹² эВ.

При еще более высоких энергиях, порядка 10²⁰ эВ, ученые предполагают, что космические лучи исходят из других галактик. Одним из возможных источников этих высокоэнергетических космических лучей могут быть активные галактические ядра (АГЯ), расположенные в центрах активных галактик. Эти АГЯ подпитываются сверхмассивными черными дырами, которые постепенно поглощают окружающую материю. Струи материи, проецирующиеся со скоростью, близкой к скорости света, в ходе этого процесса могут быть источником космических лучей.

Несмотря на наше понимание этих потенциальных источников, отследить их точное происхождение по-прежнему сложно. Заряженные частицы взаимодействуют с магнитными полями, проходя через пространство, и претерпевают многочисленные отклонения.

Поэтому к тому времени, когда внегалактические космические лучи достигают Земли, преодолев миллионы или миллиарды световых лет, они уже множество раз отклоняются и перенаправляются, рикошетируя по космосу, как шарик в небесной пинбольной машине. Это делает практически невозможным восстановление их первоначального пути.