Хвост кометы ускоряющегося звездного скопления решает 100-летнюю космическую загадку

Когда мы с коллегами приступили к работе над космической загадкой столетней давности, мы обнаружили неожиданную небесную лабораторию в Терзане 5, плотном звездном скоплении, которое в настоящее время мчится через нашу галактику с головокружительной скоростью.

Это Звездная странность позволила нам изучить поведение космических лучей – высокоэнергетических частиц, чьи беспорядочные пути в космосе сбивают с толку астрономов с момента их открытия в 1912 году.

Наблюдая излучение, создаваемое космическими лучами Терзана-5, мы’ Мы добились научного открытия: измерили, насколько быстро эти частицы меняют направление из-за флуктуаций межзвездных магнитных полей. Наше исследование опубликовано сегодня в журнале Nature Astronomy.

Быстро движущееся излучение из космоса

Никто не ожидал появления космических лучей. Когда в 1890-х годах впервые была обнаружена радиоактивность, учёные думали, что все источники радиации находятся на Земле.

Но в 1912 году австрийско-американский физик Виктор Гесс измерил уровень окружающего излучения на высотном воздушном шаре и обнаружил его. была намного выше, чем на уровне земли, даже во время затмения, когда Солнце было закрыто. Это означало, что излучение должно было исходить из космоса.

Сегодня мы знаем загадочное излучение, открытое Гессом, как космические лучи: атомные ядра и элементарные частицы, такие как протоны и электроны, которые каким-то образом были ускорены почти до скорости свет.

Эти частицы проносятся сквозь межзвездное пространство, и благодаря их высокой энергии небольшая часть из них может проникать в верхние слои атмосферы, как обнаружил Гесс.

Но мы не можем с легкостью сказать, где именно. они происходят из. Космические лучи представляют собой заряженные частицы, а это означает, что направление их движения меняется, когда они сталкиваются с магнитным полем.

Статическая картина космоса космических лучей

Эффект магнитного отклонения обеспечивает базовую технологию для старых мониторов и телевизоров с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), которые используют его для направления электронов к экрану для создания изображения.

Межзвездное пространство полно магнитных полей, и эти поля постоянно колеблются, отклоняя космические лучи в случайных направлениях – это что-то вроде сломанной ЭЛТ в старом телевизоре, который показывает только статику.

Таким образом, вместо того, чтобы космические лучи шли прямо к нам от своего источника, как это делает свет, они в конечном итоге распространяются почти равномерно. по всей галактике. Здесь, на Земле, мы видим, как они приближаются почти одинаково со всех направлений неба.

Хотя теперь мы понимаем эту общую картину, большинство деталей отсутствует. Однородность космических лучей по небу говорит нам о том, что направления космических лучей изменяются случайным образом, но у нас нет хорошего способа измерить, насколько быстро происходит этот процесс.

Мы также не понимаем основной источник магнитных флуктуаций. Или мы этого не сделали до сих пор.

Терзан 5 и смещенные гамма-лучи

Именно здесь появляется Терзан 5. Это звездное скопление является обильным источником космических лучей, потому что оно содержит большое количество быстро вращающихся, невероятно плотных и намагниченных звезд, называемых миллисекундными пульсарами, которые ускоряют космические лучи до чрезвычайно высоких скоростей.

Эти космические лучи не добираются до Земли благодаря эти переменные магнитные поля. Однако мы можем видеть явный признак их присутствия: некоторые космические лучи сталкиваются с фотонами звездного света и превращают их в высокоэнергетические незаряженные частицы, называемые гамма-лучами.

гамма-лучи движутся в том же направлении, что и создавшие их космические лучи, но, в отличие от космических лучей, гамма-лучи не отклоняются магнитными полями. Они могут двигаться по прямой и достигать Земли.

Из-за этого эффекта мы часто видим гамма-лучи, исходящие от мощных источников космических лучей. Но в Терзане-5 по какой-то причине гамма-лучи не совпадают с положением звезд. Вместо этого они, похоже, исходят из области на расстоянии около 30 световых лет от нас, где нет очевидного источника.

Комета галактического масштаба

Это смещение было необъяснимое любопытство с момента его открытия в 2011 году, пока мы не нашли объяснение.

Сегодня Терзан 5 находится недалеко от центра нашей галактики, но это не всегда так. Звездное скопление на самом деле движется по очень широкой орбите, поэтому большую часть времени оно находится далеко от плоскости галактики.

Просто сейчас оно движется сквозь галактику. Поскольку это падение происходит со скоростью сотни километров в секунду, скопление окутывает вокруг себя покров магнитных полей, подобно хвосту кометы, летящей сквозь солнечный ветер.

Космические лучи, запускаемые скоплением, первоначально движутся вдоль хвоста. Мы не видим ни одного из гамма-лучей, которые производят эти космические лучи, потому что хвост не направлен прямо на нас – эти гамма-лучи направляются вдоль хвоста и в сторону от нас.

И вот где приходят магнитные флуктуации. Если бы космические лучи оставались точно выровненными по хвосту, мы бы никогда их не увидели, но благодаря магнитным флуктуациям их направления начинают меняться.

В конце концов, некоторые из них начинают указывать к нам, производя видимые нами гамма-лучи. Но на это уходит примерно 30 лет, поэтому гамма-лучи, кажется, исходят не из самого скопления.

К тому времени, когда на нас направится достаточное количество их гамма-лучей, они станут достаточно яркими. чтобы быть видимыми, они прошли 30 световых лет вниз по магнитному хвосту скопления.

Космические лучи и межзвездные магнитные поля

Итак, благодаря Терзану-5 мы впервые смогли измерить, сколько времени требуется магнитным флуктуациям, чтобы изменить направление космических лучей. Мы можем использовать эту информацию для проверки теорий о том, как работают межзвездные магнитные поля и откуда берутся их колебания.

Это приближает нас на большой шаг к пониманию загадочного космического излучения, открытого Гессом более 100 лет назад. .

Марк Крамхольц, профессор Исследовательской школы астрономии и астрофизики Австралийского национального университета

Эта статья переиздана из журнала The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.