Не масса, а заряд: астрофизики раскрыли правила поведения космических лучей

Ученые международной коллаборации DAMPE Collaboration сообщили о важном открытии: им впервые удалось напрямую зафиксировать «смягчение» энергетических спектров космических частиц – тяжелых ядер углерода, кислорода и железа – и показать, что этот эффект носит универсальный характер. Результаты, представленные в журнале Nature, помогают лучше понять происхождение частиц с экстремально высокой энергией в нашей Галактике.

Космические лучи – это потоки заряженных частиц, которые постоянно достигают Земли из космоса. В основном это ядра атомов, разогнанные до колоссальных скоростей. Долгое время ученые спорили, что именно определяет их поведение – масса частиц или их электрический заряд.

Анализ данных за девять лет, собранных спутником «Dark Matter Particle Explorer», выявил четкую закономерность: при энергии около 15 теравольт поток частиц начинает уменьшаться быстрее, чем ожидалось. Это явление называют «смягчением спектра».

Проще всего представить это как поток машин на трассе: сначала быстрые машины встречаются часто, но после определенного участка их становится все меньше – как будто дорога начинает «замедлять» поток.

Важно, что этот эффект одинаково проявляется у разных частиц – от легких до тяжелых – и возникает при одной и той же жесткости. Это прямо указывает на то, что ключевую роль играет электрический заряд, а не масса. Вероятность того, что наблюдаемый эффект связан именно с массой, исключена с уверенностью более 99,999%.

Такой результат означает, что решающую роль, скорее всего, играют процессы ускорения и распространения частиц в магнитных полях Галактики. Иначе говоря, поведение космических лучей определяется тем, как они разгоняются и «путешествуют» через космическое пространство.

Чтобы объяснить наблюдаемый эффект, ученые рассматривают несколько сценариев. Один из них предполагает вклад близкого источника космических лучей, который может добавлять частицы к общему фоновому потоку и менять его форму. В качестве возможного кандидата исследователи упоминают пульсар Geminga, связанный с древней сверхновой: он подходит по расстоянию и возрасту, однако его роль пока не доказана.

Альтернативное объяснение связано с особенностями распространения частиц в межзвездной среде – например, с влиянием галактических магнитных полей и турбулентности, которые могут по-разному воздействовать на частицы в зависимости от их энергии.

Открытие становится важным шагом к пониманию природы космических лучей и приближает ученых к разгадке одной из главных задач астрофизики высоких энергий – как именно рождаются и ускоряются эти частицы в нашей Галактике.