Спектр железа в космических лучах оказался непохож на спектры других тяжелых элементов

NASA / Johnson Space Center

Физики обнаружили, что спектр железа в космических лучах непохож на спектры кремния и других тяжелых элементов. Несмотря на большой атомный номер, железо относится к одному классу космических лучей с более легкими частицами — углеродом, кислородом, гелием. Сравнить спектры позволили данные, полученные с помощью детектора AMS. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Космические лучи — это потоки заряженных частиц, распространяющиеся в межзвездной среде. В основном они состоят из протонов и ядер гелия, но около одного процента приходится на более тяжелые элементы. Только мощные астрофизические объекты способны обеспечить частицы энергией, необходимой, чтобы добраться сквозь космическое пространство до Земли. Из дальнего космоса до нас долетают лучи, рожденные взрывами сверхновых, а из ближних объектов самый мощный источник — Солнце.

Космические лучи обладают тем же составом, что и источник, но при распространении сквозь межзвездную среду их частицы вступают в различные ядерные реакции. Ученые сравнивают спектры частиц в лучах, чтобы узнать больше и о химическом составе звезд, образовавших их, и о межзвездном веществе. Попадая в атмосферу Земли, космические лучи взаимодействуют с ней и создают каскады вторичных частиц. Поэтому спектр первичных лучей проще всего исследовать с помощью детектора, расположенного вне плотных слоев атмосферы — например, с помощью магнитного альфа-спектрометра (AMS-02), который установлен на МКС.

Чем больше атомное число элемента, тем сложнее получить его спектр: тяжелых ядер в космосе намного меньше, чем легких, и они хуже распространяются из-за большого сечения взаимодействия со встречающимися на пути частицами. На AMS провели серию экспериментов, направленных на изучение «тяжелой» стороны космических лучей. В 2020 году были измерены спектры вплоть до кремния, имеющего атомный номер 14.

Оказалось, что распределения потоков кремния, неона и магния отличаются от распределений более легких элементов. Компоненты космических лучей разделились по виду спектров на два класса, причину различий между которыми ученые пока не смогли объяснить.

Недавно международная коллаборация AMS, координатором которой является Сэмюэл Тинг (Samuel Ting) из Массачусетского технологического института, получила данные о железе, самом тяжелом компоненте космических лучей. За 8,5 лет AMS зарегистрировал 0,62 × 106 ядер этого элемента.

Обычно для составления спектров используют величину, равную отношению кинетической энергии к числу нуклонов в ядре. В новых измерениях ученые перешли к магнитной жесткости, равной отношению энергии к зарядовому числу. Такой спектр получился более точным: погрешность в области 100 гигавольт составила всего 4,8 процента, тогда как для распределений по удельной кинетической энергии она достигала 20 процентов в той же области.

Авторы работы построили распределения по магнитной жесткости не только для железа, но и для остальных элементов.


Отношение потока железа к потоку кислорода в области магнитной жесткости больше 80,5 гигавольт составило примерно 0,155. Это неожиданный результат, который демонстрирует, что железо относится к одному классу космических лучей с легкими элементами — гелием, углеродом и кислородом.

По словам Сэмюэла Тинга, ученым потребуется время, чтобы создать модель космических лучей, которая объяснит, почему железо проявило свойства, характерные для более легких частиц. Он также считает, что, измерив спектр железа, физики добрались до некоторой границы в увеличении атомного номера исследуемых элементов, которую они не смогут перейти в ближайшие годы.

Мы уже писали о других наблюдениях, сделанных на детекторе AMS. Например, в 2015 году он увидел аномальный избыток антипротонов, а в 2019 — разделил высоко- и низкоэнергетический вклад в поток космических позитронов. Также с его помощью физики измерили соотношение изотопов гелия в космических лучах.

Екатерина Назарова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.