Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №05 за 2007 год

Пьер Виктор Оже (1899—1993) — французский ядерный физик, первооткрыватель широких атмосферных ливней

Однако во Вселенной протекают процессы (пока до конца непонятые нами), которые могут разгонять частицы до 1020 эВ и даже больше. Это десятки джоулей! По меркам микромира — колоссальная величина! Не всякий опытный теннисист сумеет приложить такую энергию к пущенному им мячу — а в микромире она приложена к одной-единственной элементарной частице (для сравнения: в теннисном мяче 1025 протонов и нейтронов). Вопрос о том, как космические лучи разгоняются до столь высоких энергий, пока остается без ответа.

Ни для кого не будет сюрпризом, что тараканов на свете больше, чем слонов. В некоторых домах популяция тараканов может превосходить всю мировую популяцию слонов. Чем крупнее животное, тем реже оно размножается. Похожая ситуация имеет место быть и в мире космических лучей. Чем выше энергия, тем реже такие частицы встречаются. Наиболее экзотические из них, с энергией быстролетящего теннисного мяча, попадают на площадку в один квадратный километр всего лишь раз в сотню лет. Чтобы регистрировать хотя бы несколько десятков суперчастиц в год, нужны гигантские комплексы детекторов.

Дети галактики

Частица может сразу родиться высокоэнергичной или же набрать энергию в процессе ускорения. В астрофизике известны два основных механизма разгона частиц. Один из них реализуется, например, в пульсарах и немного похож на работу земных ускорителей. Заряженная частица движется вдоль силовой линии магнитного поля, как бусинка на проволоке, а электрическое поле, возникающее из-за вращения замагниченной нейтронной звезды, ее разгоняет. Но у этого механизма есть предел. Чем выше становится энергия частицы, тем труднее магнитному полю ее удержать. Кроме того, частица норовит избавиться от излишка энергии, излучив его в виде электромагнитных волн. Такое излучение всегда возникает при ускоренном движении заряда, в том числе при движении по окружности или вдоль искривленных линий магнитного поля. Магнитары — очень сильно замагниченные нейтронные звезды — в принципе могли бы разгонять частицы до сверхвысоких энергий, но потери энергии на излучение все портят. Двигаясь по искривленным силовым линиям магнитного поля, частица быстро высвечивает (теряет) сообщаемую ей энергию и улетает навсегда, так и не удержав всю ту энергию, которая она могла бы «вместить».

Другой механизм ускорения частиц был предложен Энрико Ферми (E. Fermi) и носит его имя. В нем частицы разгоняются в области ударных волн, многократно пересекая их фронт. При прохождении ударной волны количество вещества остается постоянным, но сразу за фронтом волны оно сжимается и должно иметь меньшую скорость — точно так же автомобили в пробке расположены плотнее и движутся медленнее, чем за ее пределами. Частица, перескочив через фронт и столкнувшись с частицами по ту сторону ударной волны, приобретет дополнительную энергию. Если вдобавок в веществе есть магнитное поле, то заряженная частица может развернуться и перескочить через ударную волну еще раз. Так, прыгая туда-сюда много раз, частица увеличивает свою энергию, как мячик между двумя быстро сближающимися стенками.

Остаток сверхновой SN 1006. В ударных волнах таких образований ускоряются галактические космические лучи

Где же найти достаточно мощные ударные волны? Во время взрывов сверхновых высвобождается гигантское количество энергии. Кроме того, такие взрывы случаются достаточно часто. В галактике типа нашей, а таких в видимой части Вселенной около ста миллиардов, подобные катаклизмы происходят раз в несколько десятков лет. После взрыва за несколько тысяч лет около 10% механической энергии расширяющегося остатка сверхновой может превратиться в энергию частиц.

Данная теория происхождения космических лучей в последнее время получила убедительные подтверждения. Помогли в этом рентгеновские наблюдения остатков сверхновых. Еще в 1995 году с помощью японского спутника ASCA удалось получить изображение остатка сверхновой 1006 года, однозначно говорящее о наличии в нем частиц с очень высокой энергией. Затем с помощью спутника Chandra этот результат был подтвержден для других остатков. Наконец, совсем недавно наземный гамма-телескоп H.E.S.S. смог четко зарегистрировать несколько остатков сверхновых в гамма-лучах очень высокой энергии, которые возникают в этих туманностях в результате «работы» ускоряемых в них космических лучей. Так что о рождении частиц с энергией примерно до 1016 эВ мы знаем уже достаточно много. Однако в остатках сверхновых частицы сверхвысоких энергий рождаться не могут. Нужны какие-то другие источники.