Цифровой журнал «Компьютерра» 2013 № 09 (162) - [9]
Дело за малым — за наблюдательным подтверждением. Конечно, речь не может идти о том, чтобы непосредственно наблюдать процесс ускорения. Те частицы, которые мы детектируем на Земле и в её окрестностях, прошли через мясорубку гелиосферной ударной волны, по пути чего-то лишившись и чем-то дополнившись. Но даже изучение космических лучей за пределами гелиосферы не прольёт свет на их источник. Путешествуя по Галактике, заряженные частицы привязаны к силовым линиям магнитного поля, которые имеют весьма запутанную структуру, и потому направление на источник данной частицы в процессе её блуждания по Галактике полностью теряется. Приходится полагаться на косвенные наблюдения. Непрямым индикатором ускорения является нетепловое излучение, которое порождается частицами, разогнанными до релятивистских скоростей, при их взаимодействии с веществом и магнитным полем.
Причины генерации этого излучения различны. В диапазоне от радиоволн до рентгена оно имеет синхротронную природу и порождается релятивистскими электронами. Именно наблюдения синхротронного излучения оболочек сверхновых и стали доказательством того, что, по крайней мере, электроны в них действительно ускоряются до релятивистских скоростей.
Источником излучения высокой энергии в остатках сверхновых могут быть и протоны. Если релятивистский протон, разогнанный ударной волной, сталкивается с другим протоном, например ядром атома водорода межзвёздного газа, в результате столкновения появляется пи-ноль-мезон, распад которого порождает два гамма-кванта с энергиями, примерно равными половине массы пи-мезона (она в энергетических единицах равна 135 МэВ).
Проблема состоит в том, что излучение в гамма-диапазоне частично может порождаться и быстрыми электронами. Это может быть тормозное излучение, для обозначения которого в английском языке почему-то используется немецкое слово Bremsstrahlung, или обратное комптоновское рассеяние, когда релятивистские электроны, взаимодействуя с фотонами (во Вселенной везде есть какие-нибудь фотоны), передают им часть своей энергии и «переводят» в гамма-диапазон. Но электроны, в отличие от протонов, с точки зрения происхождения космических лучей не так интересны; их доля в общем потоке КЛ составляет всего около процента.
Так что наблюдения остатков сверхновых в гамма-диапазоне сами по себе ещё не свидетельствуют о том, что там работает ускоритель именно протонов (и более тяжёлых атомных ядер). Одной из основных задач наблюдателей высокоэнергичного излучения являются поиски доказательств того, что рождающиеся в остатках гамма-кванты имеют не «лептонную» (электронную), а «адронную» природу, то есть порождаются основным компонентом космических лучей. Одним из таких доказательство могут стать признаки распада пионов в спектре гамма-излучения остатка сверхновой.
Авторы статьи, опубликованной в феврале 2013 года журналом Science, уверяют, что им впервые удалось найти эти признаки в гамма-спектрах двух остатков сверхновых, IC 443 и W44, ударные волны которых налетели на молекулярные облака — идеальная ситуация для генерации пионного гамма-излучения.
От космических лучей гамма-излучение выгодно отличается тем, что не петляет по Галактике, а приносит информацию непосредственно из источника. Но наблюдать гамма-лучи тоже нелегко. Маркус Акерманн и его коллеги использовали для наблюдений телескоп LAT, установленный на борту космической обсерватории «Ферми». Теоретически его диапазон простирается от 20 МэВ до 300 ГэВ, однако до недавнего времени чувствительности телескопа к гамма-квантам с энергией ниже 200 МэВ не хватало для наблюдений остатков сверхновых. Точнее, недостаточно совершенной была процедура обработки результатов наблюдений, включающая в себя, в частности, вычисление направления прилёта гамма-квантов и устранение фонового сигнала. Забавно, что существенным источником шума для таких телескопов являются «местные» космические лучи. Получается, что частицы КЛ, ускоренные в остатках сверхновых, долетев до Земли, сами мешают себя изучать.
Правда, даже после усовершенствования процедуры спектр удалось построить только для фотонов с энергиями выше 60 МэВ, так что нужный участок оказался на краю доступного диапазона. Тем не менее, по мнению наблюдателей, в спектре обоих остатков видно резкое снижение количества фотонов с энергиями меньше 200 МэВ, что соответствует почти полному их отсутствию в области энергий ниже тех, что в состоянии породить распадающийся пи-мезон. Это снижение хорошо описывается моделью пионного распада, тогда как модели, в которых гамма-излучение генерируется релятивистскими электронами, такой резкий спад объяснить не в состоянии.
Интенсивность гамма-излучения в остатках IC 443 и W44 соответствует плотности энергии космических лучей порядка 400 эВ на куб. см, что существенно выше среднего значения по Галактике. Простым сжатием существующих КЛ на фронте ударной волны такое повышение плотности не объяснить, поэтому можно предполагать, что релятивистские частицы имеют местное происхождение, то есть порождены самой ударной волной.
