Где рождаются космические лучи?

Скороходы Вселенной — релятивистские частицы, летящие по вселенским магнитным полям с субсветовыми скоростями… Где они рождаются и при каких условиях? Этот вопрос чрезвычайно интересен. Недавно в журнале Nature было опубликовано исследование, выполненное на основе экспериментальных данных межпланетной станции "Кассини", подлетевшей Сатурну.

Авторский коллектив из 13 авторов под руководством Адама Мастерса (Adam Masters) из Института космоса и аэронавтики (Institute of Space and Astronautical Science) в Японии впервые описывает открытие сильного ускорения электронов в квазипараллельной ударной волне на фронте магнитосферы Сатурна…

На иллюстрации изображение мощной магнитосферы Сатурна, формируемой невидимым, но мощным потоком солнечного ветра. КА "Кассини" подлетает к ударной волне, изображенной голубым цветом, она формируется перед головной частью магнитосферы Сатурна. Известно, что электроны могут быть ускорены до ультрарелятивистских энергий в сильных (с высоким числом Маха) бесстолкновительных ударных волнах, которые формируются в звездных оболочках стремительно расширяющихся при взрывах сверхновых звезд.

Ударные бесстолкновительные волны также формируются в потоке частиц от Солнца — в солнечном ветре, и космическому аппарату "Кассини" удалось зарегистрировать такую ситуацию. Ранее во множестве космических наблюдений в нашей Солнечной системе было установлено, что ускорение электронов на этих ударных волнах не происходит всякий раз, когда магнитное поле в потоке примерно параллельно нормали к поверхности ударной волны (квазипараллельные условия), это верхняя из двух изображенных схем. Заметьте, предполагается отсутствие ускорения!

Изображение двух описываемых ситуаций (квазипараллельной и квазиперпендикулярной) между направлением нормали к поверхности ударной волны и ориентацией силовых линий магнитного поля в пространстве. Однако остается неясным важный момент — относится ли эта магнитная зависимость ускорения электронов к намного более сильным ударным волнам, как при взрыве сверхновой звезды? Пока о локальных магнитных условиях в разлетающейся массе оболочки сверхновой звезды нет отчетливых представлений!

Читайте также: Марсианский лазер разоблачит мошенников

Итак, в последней работе коллектива авторов под руководством Адама Мастерса из японского Института космоса и аэронавтики в Сагамихаре интерпретированы наблюдения КА "Кассини". За необычно сильной ударной волной (это была головная ударная волна Сатурна) впервые было подтверждено существенное местное ускорение электронов при квазипараллельных магнитных условиях, в противоречии с установленной магнитной зависимостью ускорения электронов на ударных волнах в Солнечной системе. Более того, электроны были ускорены до релятивистских энергий (порядка мегаэлектронвольт), что сопоставимо с самыми высокими энергиями, когда-либо приписываемыми ускорению на ударных волнах в солнечном ветре.

Эти наблюдения предполагают, что при высоких числах Маха, достижимых во взрывных потоках от сверхновых, квазипараллельные ситуации в ударных волнах становятся значительно более эффективными по части ускорения электронов. Полученный результат говорит о том, что при взрывных метаморфозах сверхновых возможно аналогичное явление, то есть сильные ударные волны могут быть эффективными ускорителями электронов.

Мы пока не можем отправить зонд в окрестности взрывающихся звезд, но ударная волна, сформированная там, где поток частиц солнечного ветра налетает на магнитосферу Сатурна, дает нам возможность пронаблюдать этот процесс в малом масштабе. Как оказалось, некоторые разновидности ударных волн способны гораздо эффективнее ускорять электроны, чем ранее считалось.

Читайте также: Нейтронные звезды — шкатулки с секретами

Руководитель работы Мастерс подытожил: "КА "Кассини" дал нам возможность изучать природу ударной волны в оболочке сверхновых звезд, находясь в нашей собственной Солнечной системе, перекидывая мостик к удаленным высокоэнергичным астрофизическим явлениям, которые обычно изучаются удаленно".

По материалам Nature Physics