В начале ноября 1572 года земляне стали свидетелями появления новой звезды в созвездии Кассиопеи — сверхновой Тихо, самой яркой более чем за 400 лет.
Несколько лет наблюдений за гамма-излучением этого объекта (SN 1572) с помощью американского космического телескопа «Ферми» позволили дать ещё один ключ к пониманию происхождения космических лучей — субатомных частиц (в основном протонов), которые движутся в пространстве почти со скоростью света. Где именно и каким образом эти частицы достигают таких невероятных энергий — большая тайна, поскольку они легко отклоняются межзвёздными магнитными полями. Из-за этого невозможно отследить источники космических лучей.
К счастью, одна зацепка всё же есть. «Гамма-излучение высоких энергий возникает, когда космические лучи сталкиваются с межзвёздным газом и светом звёзд, — отмечает ведущий автор работы Франческо Джордано из Университета Бари и Национального института ядерной физики Италии. — Это излучение приходит к «Ферми» прямо из своих источников».
Разгадка этой тайны — одна их главных целей «Ферми. Его «Широкоугольный телескоп» (Large Area Telescope, LAT) охватывает небо за три часа, постепенно вырабатывая все более глубокий взгляд на гамма-космос. Поскольку гамма-излучение — это наиболее высокоэнергетичный и всепроникающий вид света, оно служит индикатором ускорения частиц, которое приводит к возникновению космических лучей.
В 1949 году физик Энрико Ферми, в честь которого назван телескоп, предположил, что высокоэнергичные космические лучи получают ускорение в магнитном поле облаков межзвёздного газа. В последующие десятилетия астрономы показали, что остатки сверхновых можно считать основными кандидатами на те места, где это происходит.
Когда звезда взрывается, её быстро расширяющаяся оболочка из горячего газа ограничена ударной волной. Учёные подозревают, что магнитные поля по обе стороны фронта ударной волны играют частицами в субатомный пинг-понг. С каждым «ударом» частицы увеличивают свою энергию и в конце концов вырываются из магнитной ловушки. Они отрываются от остатка сверхновой и свободно бродят по галактике.
Наблюдения, выполненные с помощью LAT, подтверждают эту гипотезу. Молодые остатки сверхновых (как, например, SN 1572) обычно производят гамма-излучение более высоких энергий, чем старые. «Энергия гамма-излучения соответствует энергии ускоренных частиц, которые его произвели, поэтому более молодые объекты, обладающие более сильными ударными волнами, производят излучение более высоких энергий», — отмечает соавтор Стефан Фанк из Института астрофизики частиц и космологии им. Кавли (США). Соответственно, старые остатки со слабой ударной волной не способны удерживать частицы высоких энергий, и LAT не обнаруживает гамма-излучение высоких энергий из таких источников.
После более чем двух с половиной лет сканирования неба данные LAT ясно показывают, что непрояснённый участок гамма-излучения гигаэлектронвольтной энергии связан с остатком сверхновой Тихо. Исследователи пришли к выводу, что его лучше всего объясняет процесс производства пионов. Когда протон, летящий почти со скоростью света, сталкивается с более медленным протоном, возникает нестабильная частица пион, составляющая 14% массы протона. Через 10–16 с пион распадается на пару гамма-лучей.
Если эта интерпретация верна, то где-то в пределах остатка сверхновой протоны ускоряются почти до скорости света, а затем взаимодействуют с более медленными частицами, создавая гамма-излучение.
По материалам: НАСА