Один шутник посоветовал бросить строить ускорители и взрывать сверхновые. Остроумное предложение было сделано неспроста: недавнее исследование показало, что взрыв сверхновой может разгонять частицы схожим образом. А это подтверждает догадку, что сверхновые вносят большой вклад в космическое излучение.
Это открытие рассказывает астрономам нечто важное о происхождении космических лучей, постоянно бомбардирующих Землю и, возможно, влияющих на жизнь на нашей планете. Получить эту информацию удалось только благодаря высокоточным снимкам рентгеновской орбитальной обсерватории Chandra, позволяющим рассмотреть множество существенных деталей.
Астрономам впервые удалось изучить и даже картографировать распределение ускоряющихся электронов в остатках сверхновой. Карта была построена по снимкам Кассиопеи A — остатков аккуратного взрыва сверхновой.
«Учёные с 1960-х годов строили теории, согласно которым космические лучи могут возникать в магнитных полях в результате ударного воздействия. А теперь мы можем в этом убедиться непосредственно, — говорит Майкл Стейдж (Michael D. Stage), астроном из университета штата Массачусетс в Амхерсте (University of Massachusetts, Amherst), принимавший участие в исследовании Кассиопеи A. — Выяснив, откуда берутся космические лучи, можно понять и многие другие явления, связанные с загадочными высокоэнергетическими процессами, которые происходят во Вселенной».
Теория предсказывала, что в таких условиях заряженные частицы могут получать чрезвычайно высокие энергии, разгоняясь почти до скорости света в результате резких толчков, создаваемых многократно повторяющимися ударными волнами. При этом электроны увеличивают свою скорость, а значит, и накапливают энергию, с каждым толчком.
Гленн Аллен (Glenn E. Allen), другой участник этого исследования из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology — MIT) сравнивает движение электронов в Кассиопее A с пинболом — игрой, в которой быстро запущенный стальной шарик движется в ограниченном пространстве, отскакивая от стенок и препятствий.
По аналогии Аллена, магнитное поле — это «бампер», который толкает шарик, то есть электрон, а ударная волна — это «спусковой механизм», передающий ускорение.
Электроны должны пережить несколько сотен толчков, полученных от магнитного поля, до того, как они пересекут волновой фронт. Выходит, что частицы, так же, как и в ускорителе, прежде чем «вылететь» в виде потока космических лучей, сначала набирают необходимую энергию (только для этого они двигаются не по кругу, а туда-обратно).
В результате анализа большого массива данных учёные смогли отделить рентгеновское излучение ускоренных электронов от рентгена нагретого газа (в таких областях жёсткое гамма-излучение возникает в результате совсем других процессов).
Как показывают эти сведения, электроны в газе сейчас разогнались почти до максимальной скорости, которую они вообще теоретически могут приобрести.
По оценкам специалистов, чтобы достичь этого предела скорости (он связан с процессами диффузии в газе), самым медленным электронам потребуется около двухсот лет (то есть чуть больше половины возраста Кассиопеи A), а самым энергичным — всего полвека.
Со временем в Кассиопее A параметры магнитного поля и ударной волны меняются, что приводит и к изменениям испускаемых космических лучей. Исследование этого объекта поможет как разобраться с проблемами космической радиации, так и лучше понять эволюцию сверхновых. Ведь все эти процессы там только начались: взрыв Кассиопеи A произошёл по астрономическим меркам совсем недавно — каких-то 325 лет назад.
