Большой адронный коллайдер? Детская забава по сравнению с тем, что устраивают умирающие звёзды
NewsMakerКаждый взрыв сверхновой — это короткометражка по физике будущего. Но вы её никогда не увидите.
Астрономы разгадали одну из величайших космических загадок: как сверхновые звёзды превращаются в самые мощные ускорители частиц во Вселенной. Оказалось, что взрывающиеся светила способны генерировать невероятно энергичные космические лучи, но только при соблюдении особых условий — звезда должна буквально «раздеться» перед своей смертью.
Почти столетие учёные фиксируют потоки высокоэнергетичных частиц, прилетающих из далёких уголков космоса. Эти космические лучи состоят преимущественно из протонов, а иногда — из ядер тяжёлых элементов. Магнитное поле Земли отклоняет большинство подобных «снарядов», верхние слои атмосферы поглощают остальные, но некоторые всё же достигают поверхности планеты. Примерно каждую секунду один космический луч попадает прямо в ваше тело, пронизывая его насквозь.
Энергетический диапазон этих частиц поражает воображение. Самые мощные достигают одного петаэлектронвольта — это квадриллион электронвольт, что в тысячу раз превышает энергию столкновений в Большом адронном коллайдере. Крупнейший ускоритель планеты кажется детской игрушкой по сравнению с тем, что творится в глубинах космоса.
Десятилетиями астрономы подозревали: источником столь чудовищной энергии служат взрывы массивных звёзд. Сверхновые обладают всеми необходимыми компонентами — колоссальная детонация высвобождает достаточно энергии, порождает потоки элементарных частиц, а магнитные поля разгоняют их до безумных скоростей перед выбросом в межзвёздное пространство.
Однако наблюдения близких остатков сверхновых вроде Тихо и Кассиопеи А не оправдали ожиданий. Космические лучи, исходящие от этих объектов, оказались значительно слабее предсказанных теорией. Многие учёные начали сомневаться в правильности гипотезы о сверхновых как главных виновниках появления сверхэнергичных частиц.
Исследование, принятое к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics, реабилитировало репутацию взрывающихся звёзд. Учёные доказали: остатки сверхновых действительно способны стать «петавольтронами» — источниками космических лучей с энергией в петаэлектронвольт, но только при соблюдении строгих условий.
Ключевое открытие заключается в том, что перед взрывом звезда должна сбросить огромное количество массы — минимум эквивалент двух Солнц. Подобное явление встречается довольно часто: мощные звёздные ветра способны сдуть внешние слои атмосферы светила задолго до основной катастрофы. Критически важно, чтобы этот выброшенный материал не рассеялся в пространстве, а остался плотным, компактным и близким к умирающей звезде.
Когда сверхновая наконец взрывается, ударная волна от детонации врезается в эту оболочку из сброшенного вещества. Именно тогда начинается настоящий ад — физические процессы достигают невообразимой интенсивности.
Ударная волна, проносясь сквозь окружающую оболочку, раскручивает магнитные поля до невероятной мощности. Эти поля захватывают любые случайные субатомные частицы — обломки в оболочке — и начинают их безжалостно ускорять. Частицы отскакивают взад-вперёд внутри ударной волны, словно мячики для пинг-понга между невидимыми ракетками.
С каждым отскоком частица набирает всё больше энергии, постепенно разгоняясь до фантастических скоростей. Магнитные поля работают как гигантская рогатка, многократно подбрасывающая свои «снаряды» и придающая им дополнительное ускорение. Наконец частица накапливает достаточно энергии, чтобы вырваться из этого хаоса и устремиться в межзвёздные просторы со скоростью, близкой к световой.
Однако подобная космическая «пушка» работает лишь несколько месяцев. Ударная волна постепенно замедляется и теряет свою разрушительную силу. Система продолжает производить обычные космические лучи, но уже не способна преодолеть петаэлектронвольтный барьер. Окно возможностей для создания сверхэнергичных частиц захлопывается навсегда.
Именно этот сценарий объясняет, почему астрономы никогда не наблюдали активные петавольтроны в действии. Сверхновые вспыхивают в Млечном Пути каждые несколько лет, но ни одна из них не произошла достаточно близко в современную эпоху, чтобы учёные успели зафиксировать короткий период генерации экстремально энергичных космических лучей.
Открытие проливает свет на одну из самых загадочных сторон Вселенной — механизм рождения частиц с энергией, недостижимой для земных ускорителей. Космос оказывается намного более изощрённым физиком, чем предполагалось ранее: он использует целые звёздные системы как лабораторные установки для экспериментов с элементарными частицами.
Результаты исследования заставляют пересмотреть представления о роли сверхновых в эволюции галактик. Эти космические катастрофы не просто разбрасывают тяжёлые элементы по окрестностям — они создают потоки сверхэнергичных частиц, которые могут влиять на звездообразование и развитие планетных систем на огромных расстояниях от места взрыва.
Астрономам остаётся только терпеливо ждать следующую близкую сверхновую, чтобы наконец увидеть петавольтрон в работе. Когда это произойдёт, человечество получит уникальную возможность изучить самые мощные процессы ускорения частиц во Вселенной и, возможно, открыть новые законы физики высоких энергий.
Астрономы разгадали одну из величайших космических загадок: как сверхновые звёзды превращаются в самые мощные ускорители частиц во Вселенной. Оказалось, что взрывающиеся светила способны генерировать невероятно энергичные космические лучи, но только при соблюдении особых условий — звезда должна буквально «раздеться» перед своей смертью.
Почти столетие учёные фиксируют потоки высокоэнергетичных частиц, прилетающих из далёких уголков космоса. Эти космические лучи состоят преимущественно из протонов, а иногда — из ядер тяжёлых элементов. Магнитное поле Земли отклоняет большинство подобных «снарядов», верхние слои атмосферы поглощают остальные, но некоторые всё же достигают поверхности планеты. Примерно каждую секунду один космический луч попадает прямо в ваше тело, пронизывая его насквозь.
Энергетический диапазон этих частиц поражает воображение. Самые мощные достигают одного петаэлектронвольта — это квадриллион электронвольт, что в тысячу раз превышает энергию столкновений в Большом адронном коллайдере. Крупнейший ускоритель планеты кажется детской игрушкой по сравнению с тем, что творится в глубинах космоса.
Десятилетиями астрономы подозревали: источником столь чудовищной энергии служат взрывы массивных звёзд. Сверхновые обладают всеми необходимыми компонентами — колоссальная детонация высвобождает достаточно энергии, порождает потоки элементарных частиц, а магнитные поля разгоняют их до безумных скоростей перед выбросом в межзвёздное пространство.
Однако наблюдения близких остатков сверхновых вроде Тихо и Кассиопеи А не оправдали ожиданий. Космические лучи, исходящие от этих объектов, оказались значительно слабее предсказанных теорией. Многие учёные начали сомневаться в правильности гипотезы о сверхновых как главных виновниках появления сверхэнергичных частиц.
Исследование, принятое к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics, реабилитировало репутацию взрывающихся звёзд. Учёные доказали: остатки сверхновых действительно способны стать «петавольтронами» — источниками космических лучей с энергией в петаэлектронвольт, но только при соблюдении строгих условий.
Ключевое открытие заключается в том, что перед взрывом звезда должна сбросить огромное количество массы — минимум эквивалент двух Солнц. Подобное явление встречается довольно часто: мощные звёздные ветра способны сдуть внешние слои атмосферы светила задолго до основной катастрофы. Критически важно, чтобы этот выброшенный материал не рассеялся в пространстве, а остался плотным, компактным и близким к умирающей звезде.
Когда сверхновая наконец взрывается, ударная волна от детонации врезается в эту оболочку из сброшенного вещества. Именно тогда начинается настоящий ад — физические процессы достигают невообразимой интенсивности.
Ударная волна, проносясь сквозь окружающую оболочку, раскручивает магнитные поля до невероятной мощности. Эти поля захватывают любые случайные субатомные частицы — обломки в оболочке — и начинают их безжалостно ускорять. Частицы отскакивают взад-вперёд внутри ударной волны, словно мячики для пинг-понга между невидимыми ракетками.
С каждым отскоком частица набирает всё больше энергии, постепенно разгоняясь до фантастических скоростей. Магнитные поля работают как гигантская рогатка, многократно подбрасывающая свои «снаряды» и придающая им дополнительное ускорение. Наконец частица накапливает достаточно энергии, чтобы вырваться из этого хаоса и устремиться в межзвёздные просторы со скоростью, близкой к световой.
Однако подобная космическая «пушка» работает лишь несколько месяцев. Ударная волна постепенно замедляется и теряет свою разрушительную силу. Система продолжает производить обычные космические лучи, но уже не способна преодолеть петаэлектронвольтный барьер. Окно возможностей для создания сверхэнергичных частиц захлопывается навсегда.
Именно этот сценарий объясняет, почему астрономы никогда не наблюдали активные петавольтроны в действии. Сверхновые вспыхивают в Млечном Пути каждые несколько лет, но ни одна из них не произошла достаточно близко в современную эпоху, чтобы учёные успели зафиксировать короткий период генерации экстремально энергичных космических лучей.
Открытие проливает свет на одну из самых загадочных сторон Вселенной — механизм рождения частиц с энергией, недостижимой для земных ускорителей. Космос оказывается намного более изощрённым физиком, чем предполагалось ранее: он использует целые звёздные системы как лабораторные установки для экспериментов с элементарными частицами.
Результаты исследования заставляют пересмотреть представления о роли сверхновых в эволюции галактик. Эти космические катастрофы не просто разбрасывают тяжёлые элементы по окрестностям — они создают потоки сверхэнергичных частиц, которые могут влиять на звездообразование и развитие планетных систем на огромных расстояниях от места взрыва.
Астрономам остаётся только терпеливо ждать следующую близкую сверхновую, чтобы наконец увидеть петавольтрон в работе. Когда это произойдёт, человечество получит уникальную возможность изучить самые мощные процессы ускорения частиц во Вселенной и, возможно, открыть новые законы физики высоких энергий.