Загадка космических лучей давно не дает покоя ученым. Однако новая разработка поможет физикам. «Хайтек» рассказывает главное.
Международная группа ученых разработала компьютерную программу, которая моделирует перенос космических лучей в космосе. Физики надеются, что это поможет разгадать тайну, откуда они появляются.
Что такое космические лучи?
Космические лучи по своей природе — это элементарные частицы и ядра атомов, которые движутся с высокими энергиями в космическом пространстве. Основными источниками первичных космических лучей считаются взрывы сверхновых звезд (галактические космические лучи) и Солнце, однако их природа до сих пор до конца неизучена.
Большие энергии (до 1 016 эВ) галактических космических лучей ученые объясняют ускорением частиц на ударных волнах, образующихся взрывах сверхновых. Они движутся практически со скоростью света, составляющей приблизительно 300 000 км/с.
История открытия
Космические лучи открыл в 1912 году австрийский физик Виктор Гесс. Он был сотрудником Радиевого института Вены и проводил исследования ионизированных газов. Однако и до этого момента ученые подозревали об их существовании.
Французский физик Шарль Огюстен де Кулон, исследуя природу электричества с помощью электроскопа, обнаружил, что заряд спонтанно утекает с листков фольги даже при самой лучшей электроизоляции. Позже Уильям Крукс выяснил, что скорость этого процесса снижается, когда понижается давление воздуха в электроскопе. Так ученый пришел к выводу, что причина разряда — в ионизации воздуха.
Однако в чем его причина, было неизвестно, пока физики не открыли феномен радиоактивности. Потом ученые выдвинули гипотезу о существовании глобального радиационного фона, источником которого являлась либо Земля, либо атмосфера, либо космос.
После серии экспериментов Гесс пришел к выводу, что источник радиации — небо. Ученый назвал ее «высотным излучением».
Спустя 20 лет Гесс получил Нобелевскую премию, а его исследования послужили фундаментом для развития новой области науки — физики космических лучей. С тех пор ученые далеко продвинулись в их исследовании, но на некоторые вопросы нет ответа до сих пор. Например, о скорости и процессе образования космических лучей.
Почему космические лучи тяжело наблюдать?
С момента открытия космических лучей 100 лет назад исследователи пытаются расшифровать, откуда они берутся. Проблема в том, что если смотреть с Земли, то невооруженным глазом их не рассмотреть «по отдельности». Они одинаково ярко освещены почти везде, куда бы ни посмотрел человек.
Белые прямые линии представляют крупномасштабное магнитное поле.
На траектории движения частиц (цветные линии) действуют не показанные здесь мелкомасштабные магнитные поля.
Иллюстрация: Лукас Мертен
Все потому, что солнечный свет рассеивается в атмосфере Земли и равномерно распространяется по небу. Космические лучи также рассеиваются на пути к планете. Это происходит за счет взаимодействия с магнитными полями. Все, что мы можем видеть с поверхности Земли, — это равномерно освещенное изображение. Однако само происхождение излучения остается неизвестным.
Что сделали ученые?
Чтобы решить проблему, ученые создали специальную компьютерную программу CRPropa (англ. Cosmic Ray Propagation Framework, схема распространения космических лучей). Она позволяет ученым отслеживать траектории частиц от их образования до прибытия на Землю. Кроме того, данные помогут полностью объяснить взаимодействие частиц с материей и фотонными полями во Вселенной.
Примечательно, что программа моделирует не только распространение космических лучей, но и сигнатуры нейтрино и гамма-лучей, которые возникают при их взаимодействии. В отличие от космических лучей, эти частицы-мессенджеры можно наблюдать непосредственно из их источников. Все потому, что они летят к Земле по прямому пути.
Напомним, нейтрино — это нейтральные фундаментальные частиц с полуцелым спином. Они участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Ранее «Хайтек» рассказывал, что это такое и какие еще взаимодействия существуют в природе.
Кроме того, ученые планируют использовать программное обеспечение, чтобы предсказывать такие сигнатуры нейтрино и гамма-лучей от далеких галактик, таких как вспышки звезд или активные галактики.
Как она поможет?
Авторы разработки уверены — их ПО «открывает новые окна во Вселенную». С ее помощью физики исследуют новые энергетические диапазоны, которые невозможно полностью охватить с помощью доступных на сегодняшний день программ.
А самое главное — теперь ученые разработают теоретическую модель, которая описывает движение космических лучей из нашей галактики Млечный Путь к далеким скоплениям звезд и сравнить данные с наблюдениями.
Программу моделирования разработали 17 исследователей из Германии, Испании, Голландии, Италии, Хорватии, Англии и Австрии. Проект проводился в рамках Совместного исследовательского центра, который финансируется Немецким исследовательским фондом.
Ученые уверены, CRPropa внесет значительный вклад в понимание того, откуда берутся космические лучи. Новые теоретические расчеты помогут физикам интерпретировать разнообразные данные, которые ученые получают от различных инструментов, наблюдающих за космосом.
Читать далее:
Посмотрите на явление, которое просто невозможно на Марсе
Огромный спутник может затмить все звезды и планеты на ночном небе
Китай заявил, что через 6 лет у них будет термоядерная энергия