Детектор AMS-02 на МКС обнаружил четыре класса космических лучей и поставил под сомнение существующие модели их происхождения
Международная команда ученых, работающая с детектором Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) на борту Международной космической станции, обнаружила, что тяжелые космические лучи можно разделить на четыре отдельные группы по их происхождению и поведению. Результаты основаны на рекордно точных измерениях, собранных за 13,5 года наблюдений, и показывают расхождения с существующими теоретическими моделями.
Международная коллаборация AMS сообщила о новых свойствах тяжелых космических лучей, содержащих ядра фосфора, хлора, аргона, калия и кальция. Анализ данных, полученных детектором Alpha Magnetic Spectrometer на Международной космической станции, позволил ученым не только измерить потоки этих редких частиц с беспрецедентной точностью, но и выявить фундаментальные закономерности их происхождения.
Космические лучи представляют собой потоки высокоэнергетических частиц, которые непрерывно приходят на Землю из космоса. Часть из них образуется непосредственно в астрофизических источниках, таких как взрывы сверхновых, а часть возникает позже при столкновениях уже существующих космических лучей с межзвездным веществом. До сих пор свойства многих тяжелых элементов в составе космических лучей оставались малоизученными из-за нехватки точных наблюдений.
Для нового исследования ученые использовали данные, собранные AMS-02 с мая 2011 по ноябрь 2024 года. За это время прибор зарегистрировал около миллиона ядер фосфора, хлора, аргона, калия и кальция. Исследователи изучили частицы в диапазоне параметров, характеризующих их энергию и движение в магнитных полях, от 2,15 гигавольта до 1,2 теравольта для фосфора, хлора и калия и до 3 теравольт для аргона и кальция.
Главным результатом стало обнаружение того, что потоки всех пяти элементов можно описать как сумму двух составляющих: первичной и вторичной. Первичная компонента связана с процессами ускорения частиц непосредственно в космических источниках, тогда как вторичная возникает уже во время путешествия космических лучей через межзвездную среду. Подобная структура ранее была обнаружена для некоторых других элементов, однако новые данные показали, что это свойство носит гораздо более универсальный характер.
Особенно интересным оказался контраст между элементами с четным и нечетным атомным номером. Исследователи установили, что аргон и кальций, относящиеся к четным элементам, имеют значительно более выраженную первичную составляющую, чем фосфор, хлор и калий. Например, при энергии порядка 1 ТВ доля первичной компоненты достигает примерно 83 % для кальция и 57 % для аргона, тогда как для фосфора и калия она составляет лишь около 24 % и 22 % соответственно.
Работа также позволила определить относительное содержание этих элементов в источниках космических лучей независимо от моделей их распространения по Галактике. Отношение содержания к кремнию составило 0,0034 для фосфора, 0,0097 для хлора, 0,022 для аргона, 0,0046 для калия и 0,077 для кальция. Такой подход позволяет напрямую определить состав источников космических лучей, без необходимости учитывать многочисленные неопределенности, связанные с путешествием частиц через межзвездное пространство.
Еще одним важным открытием стало создание новой классификации космических лучей. Используя данные по двадцати различным элементам — от гелия до кальция, а также железа, — ученые показали, что все они естественным образом разделяются на четыре устойчивых класса. Две группы состоят преимущественно из первичных космических лучей, а две другие — из вторичных. По словам авторов работы, такая структура проявляется в поведении потоков частиц на высоких энергиях и отражает фундаментальные особенности их происхождения.
Неожиданным стало и то, что одна из самых современных моделей распространения космических лучей GALPROP-HELMOD не смогла воспроизвести наблюдаемые соотношения между элементами. Расхождение между расчетами и измерениями указывает на то, что современные представления о формировании и эволюции тяжелых космических лучей могут быть неполными и требуют пересмотра.
Новые результаты дают исследователям более детальную картину процессов, происходящих в нашей Галактике, и помогают понять, как рождаются и распространяются высокоэнергетические частицы. По мере накопления данных AMS-02 ученые рассчитывают еще точнее определить происхождение космических лучей и выяснить, какие астрофизические объекты играют ключевую роль в их ускорении.
Исследование в журнале Physical Review Letters.