Содержание
откуда они взялись на самом деле
Анастасия
Никифорова
Новостной редактор
Анастасия
Никифорова
Новостной редактор
Загадка космических лучей давно не дает покоя ученым. Однако новая разработка поможет физикам. «Хайтек» рассказывает главное.
Читайте «Хайтек» в
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.
Автор: Montage: Helmholtz Alliance for Astroparticle Physics / A.Chantelauze, Picture: Pierre Auger Observatory. Авторские права: CC BY-NC 4.0
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.
Цветные линии показывают, как космические лучи отклоняются в магнитных полях.
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
Астрономы нашли источник космических лучей с самыми высокими энергиями — Газета.
Ru
Астрономы нашли источник космических лучей с самыми высокими энергиями — Газета.Ru | Новости
close
100%
Пульсары — нейтронные звезды с мощнейшими магнитными полями — разгоняют заряженные частицы, и прежде всего электроны, до самых экстремальных энергий. В свою очередь эти электроны могут порождать столь же экстремальные гамма-кванты, которые в конечном счете и позволяют астрономам обнаруживать эти естественные «пусковые установки» частиц. Статья об этом опубликована в Astrophysical Journal Letters.
В прошлом году исследователи из китайской высотной обсерватории LHAASO на Тибетском нагорье, предназначенной для наблюдений за широкими атмосферными ливнями, вызываемыми гамма-лучами и космическими лучами, объявили о регистрации гамма-квантов с самой высокой энергией из всех, когда-либо обнаруженных, — до 1,4 квадриллиона электрон-вольт.
Это примерно на два порядка выше, чем максимальная энергия частиц на мощнейшем в мире ускорителе, Большом адронном коллайдере, расположенном недалеко от Женевы.
Считается, что некоторые высокоэнергичные гамма-кванты возникают в той же среде, что и заряженные частицы космических лучей. Механизм их появления заключается в том, что космические лучи могут врезаться в окружающие фотоны, имеющие относительно низкую энергию, превращая их в высокоэнергетические гамма-лучи. Сами заряженные частицы прихотливо движутся в галактических магнитных полях, под влиянием которых их первоначальная траектория искажается, что не позволяет отыскать их источник, а вот гамма-лучи, невосприимчивые к магнитным полям, дают возможность не только отследить место их собственного происхождения, но и выяснить, где рождаются первоначальные космические лучи.
В новом исследовании Эмма де Онья Вильгельми, работающая на Немецком электронном синхротроне DESY в Гамбурге, и ее коллеги из других европейских стран с помощью расчетов показали, что источником экстремальных частиц, зарегистрированных LHAASO, являются турбулентные облака и заряженные частицы, окружающие пульсары.
«Мы с большим удивлением увидели, что столь экстремальными условиями можно объяснить все источники, которые наблюдал LHAASO», — говорит де Онья Вильгельми. Молодые пульсары в центрах планетарных туманностей, возраст которых не превышает 200 тыс. лет, оказывается, могут обеспечить всю эту мощь благодаря своим сверхсильным магнитным полям, создающим турбулентные магнитные пузыри, именуемые магнитосферами.
Подписывайтесь на «Газету.Ru» в Новостях, Дзен и Telegram.
Чтобы сообщить об ошибке, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
Новости
Дзен
Telegram
Владимир Трегубов
Новая форма денег
О перспективах криптовалюты
Георгий Бовт
Невообразимое будущее
О том, лучше или хуже нас будут жить наши дети
Алексей Мухин
Правила против права
О западных ценностях, которые превыше законодательства
Мария Дегтерева
В каждой бочке затычка
О том, почему соцсети интеллектуально деградируют
Дмитрий Самойлов
Вбойко шагает трансгуманизм
О последнем романе Виктора Пелевина
Найдена ошибка?
Закрыть
Спасибо за ваше сообщение, мы скоро все поправим.
Продолжить чтение
Как космические лучи могли сформировать жизнь
До того, как на Земле появились животные, бактерии или даже ДНК, самовоспроизводящиеся молекулы медленно эволюционировали из простой материи в жизнь под постоянным потоком энергетических частиц из космоса.
Магнитно-поляризованное излучение преимущественно ионизировало один тип «ручности», что приводило к несколько разной частоте мутаций между двумя зеркальными протоформами жизни.
Со временем правосторонние молекулы превзошли своих левовращающих собратьев. (Изображение предоставлено Фондом Саймонса)
В новой статье профессор Стэнфорда и бывший ученый с докторской степенью предполагают, что это взаимодействие между древними протоорганизмами и космическими лучами может быть ответственным за решающее структурное предпочтение, называемое хиральностью, в биологических молекулах. Если их идея верна, она предполагает, что вся жизнь во Вселенной может иметь одни и те же хиральные предпочтения.
Хиральность, также известная как хиральность, — это существование зеркальных версий молекул. Как левая и правая руки, две хиральные формы одной молекулы отражают друг друга по форме, но не выстраиваются в линию, если их сложить. В каждой крупной биомолекуле — аминокислотах, ДНК, РНК — жизнь использует только одну форму молекулярной хиральности. Если зеркальная версия молекулы заменяет обычную версию в биологической системе, система часто дает сбой или полностью перестает функционировать.
В случае с ДНК один-единственный неправильный сахар разрушил бы стабильную спиральную структуру молекулы.
Луи Пастер впервые обнаружил эту биологическую гомохиральность в 1848 году. С тех пор ученые спорят о том, была ли хиральность жизни обусловлена случайностью или каким-то неизвестным детерминистическим влиянием. Пастер предположил, что если жизнь асимметрична, то это может быть связано с асимметрией фундаментальных физических взаимодействий, существующих во всем космосе.
«Мы предполагаем, что биологическая рукость, которую мы наблюдаем сейчас на Земле, связана с эволюцией среди магнитно-поляризованного излучения, где крошечная разница в скорости мутаций могла способствовать эволюции жизни на основе ДНК, а не ее зеркальному отражению», — сказал он. Ноэми Глобус, ведущий автор статьи и бывший научный сотрудник Института астрофизики элементарных частиц и космологии им. Кавли (KIPAC).
В своей статье, опубликованной 20 мая в Astrophysical Journal Letters , исследователи детализируют свои аргументы в пользу того, что космические лучи являются источником гомохиральности.
Они также обсуждают возможные эксперименты для проверки своей гипотезы.
Магнитная поляризация из космоса
Космические лучи — это распространенная форма высокоэнергетического излучения, которое исходит из различных источников во Вселенной, включая звезды и далекие галактики. После попадания в атмосферу Земли космические лучи в конечном итоге распадаются на элементарные частицы. На уровне земли большая часть космических лучей существует только в виде частиц, известных как мюоны.
Мюоны — нестабильные частицы, существующие всего две миллионные доли секунды, но поскольку они движутся со скоростью, близкой к скорости света, их обнаружили на глубине более 700 метров под поверхностью Земли. Они также магнитно поляризованы, а это означает, что в среднем все мюоны имеют одинаковую магнитную ориентацию. Когда мюоны, наконец, распадаются, они производят электроны с той же магнитной поляризацией. Исследователи полагают, что проникающая способность мюона позволяет ему и его дочерним электронам потенциально воздействовать на хиральные молекулы на Земле и повсюду во Вселенной.
«Мы все время подвергаемся облучению космическими лучами», — объяснил Глобус, который в настоящее время является постдокторантом в Нью-Йоркском университете и Институте Флэтайрон Фонда Саймонса. «Их эффекты малы, но постоянны в любом месте на планете, где могла бы развиваться жизнь, а магнитная поляризация мюонов и электронов всегда одинакова. И даже на других планетах космические лучи будут иметь тот же эффект».
Гипотеза исследователей заключается в том, что в начале жизни на Земле это постоянное и постоянное излучение по-разному влияло на эволюцию двух зеркальных форм жизни, помогая одной в конечном итоге преобладать над другой. Эти крошечные различия в частоте мутаций были бы наиболее значительными, когда жизнь зарождалась, а задействованные молекулы были очень простыми и более хрупкими. При таких обстоятельствах небольшое, но постоянное хиральное влияние космических лучей могло за миллиарды поколений эволюции привести к той единственной биологической ручности, которую мы наблюдаем сегодня.
«Это немного похоже на колесо рулетки в Вегасе, где вы можете отдать предпочтение красным карманам, а не черным», — сказал Роджер Бландфорд, профессор Люка Блоссома в Школе гуманитарных и естественных наук в Стэнфорд и автор на бумаге. «Сыграй несколько игр, ты и не заметишь. Но если вы будете играть в эту рулетку в течение многих лет, те, кто обычно делает ставки на красное, заработают деньги, а те, кто делает ставку на черное, проиграют и уйдут».
Готовы удивляться
Глобус и Блэндфорд предлагают эксперименты, которые могут помочь подтвердить или опровергнуть их гипотезу о космических лучах. Например, они хотели бы проверить, как бактерии реагируют на излучение с различной магнитной поляризацией.
«Эксперименты, подобные этому, никогда не проводились, и я рад видеть, чему они нас учат. Сюрпризы неизбежно возникают при дальнейшей работе над междисциплинарными темами», — сказал Глобус.
Исследователи также с нетерпением ждут органических образцов с комет, астероидов или Марса, чтобы увидеть, проявляют ли они хиральное смещение.
«Эта идея связывает фундаментальную физику и происхождение жизни», — сказал Бландфорд, который также является профессором физики и физики элементарных частиц Стэнфорда и SLAC и бывшим директором KIPAC. «Независимо от того, правильно это или нет, соединение этих очень разных областей захватывает, и успешный эксперимент должен быть интересным».
Это исследование финансировалось Фондом Корет, Нью-Йоркским университетом и Фондом Саймонса.
Чтобы читать все истории о Стэнфордской науке, подпишитесь на двухнедельный выпуск Стэнфордский научный дайджест .
Подведение итогов космических лучей в Солнечной системе
Опубликовано вНовости
Ученые пытаются понять неуловимые свойства звездных и галактических космических лучей, прежде чем искать жизнь на экзопланетах.
по
Юре Джапель
Частицы высокой энергии, также известные как космические лучи, пронизывают Солнечную систему.
Авторы и права: Новый телескоп ESA
, New Worlds
Ученые надеются найти следы жизни в атмосферах экзопланет, исследуя характерные особенности химического состава атмосферы. Однако эти узоры могут быть изменены космическими лучами. Когда эти энергичные заряженные частицы врезаются в планетарные атмосферы на разумных долях скорости света, они создают каскады вторичных частиц и излучения, которые изменяют химический состав атмосферы. В крайнем случае невидимые частицы формируют способность планеты принимать жизнь.
Поведение и воздействие космических лучей плохо изучены даже в нашей собственной Солнечной системе, не говоря уже об окружении другой звезды. Группа исследователей недавно исследовала историю обстрела Земли космическими лучами. В недавней статье, опубликованной в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества , команда показала, как производство и перенос космических лучей в Солнечной системе менялись на протяжении всей жизни Солнца.
Это понимание может помочь облегчить поиск жизни с использованием атмосферных сигналов.
Этот информационный бюллетень крут.
Получайте самые захватывающие научные новости недели на свой почтовый ящик каждую пятницу.
Зарегистрируйтесь сейчас
Планеты сталкиваются с космическими лучами в основном из двух разных источников. Одним из источников является звезда планеты, которая производит звездные космические лучи: звезды выбрасывают высокоэнергетические частицы, прежде всего протоны и ядра атомов гелия, посредством вспышек и выбросов корональной массы, которые также питают звездные ветры. (Хотя они исходят из одного и того же источника, звездные космические лучи обладают энергией, в миллион раз превышающей энергию частицы звездного ветра, и встречаются гораздо реже.) Вторым, более постоянным источником космических лучей является сам Млечный Путь, производящий галактические космические лучи. : Эти частицы возникают из остатков взрывов сверхновых и роятся по всей галактике.
«Форма и неравномерность солнечного магнитного поля определяют, как частицы перемещаются в Солнечной системе», — сказала Донна Роджерс-Ли, ведущий автор исследования и научный сотрудник Дублинского университета. Солнечные частицы толкаются, толкаются и разбрасываются магнитными полями, когда они удаляются от Солнца. Галактические частицы, с другой стороны, должны преодолевать толчок солнечного ветра, поскольку они движутся вблизи Солнца. Увеличение звездных космических лучей обычно сметает приходящие галактические космические лучи, которые затем за это время уменьшаются.
Моделирование молодого Солнца
На этой схеме солнечной системы показаны солнечный ветер, солнечные и галактические космические лучи и гелиосфера. Намагниченный солнечный ветер определяет пути космических лучей. Кредит: Сара. А. Брандс
. Младшее Солнце было более магнитно активным и по-разному взаимодействовало с обоими типами космических лучей. Раньше он производил больше частиц, и его солнечный ветер распространялся дальше в космос, что изменило относительный вклад солнечных и галактических космических лучей на планеты Солнечной системы.
«Потоки в положении Земли антикоррелированы. Поток звездных космических лучей был больше, когда Солнце было моложе, а поток галактических космических лучей был меньше», — сказал Роджерс-Ли.
Федерико Фраскетти, приглашенный научный сотрудник Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и старший научный сотрудник Аризонского университета, приветствует исследования, подобные этому. «Знание абсолютного потока энергичных частиц от Солнца при заданной энергии и того, как он соотносится с общей энергией, выделяемой в корональных вспышках, будет очень ценным», — сказал он. Фраскетти не участвовал в исследовании.
Однако, отметил Фраскетти, команда использовала упрощенную модель для расчета переноса частиц через солнечное магнитное поле — более полная модель, включающая естественные вихри и турбулентность солнечного ветра, может привести к дополнительным сюрпризам, особенно для очень энергичных частицы.
Космическая погода вокруг других звезд
Хотя Солнечная система является основной ареной для изучения космических лучей, результаты не применимы напрямую к другим звездам.
Производство космических лучей варьируется от звезды к звезде, как и звездное вращение и последующие модели звездных магнитных полей. В настоящем исследовании эти переменные рассматриваются путем моделирования эволюции Солнца, но возможности для изучения далеко не исчерпаны.
Роджерс-Ли и ее команда будут использовать свои открытия для изучения выборки экзопланет, звезды которых имеют хорошо измеренные звездные ветры. Они считают, что с добавлением химических моделей, описывающих химические процессы в атмосфере, наука в конечном итоге получит контроль над энергетическими частицами в других планетарных системах.
Наблюдения за атмосферой экзопланет стали обычным явлением в последние годы. Тем не менее, Роджерс-Ли не может дождаться данных, которые изменят правила игры, от предстоящего космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). «JWST будет ограничивать содержание химических веществ в атмосферах разных типов планет вокруг разных звезд», — сказала она. «Уровень детализации откроет так много новых возможностей».