Космический ускоритель: от Юпитера до остатков сверхновых

Что увидел Juno

Космический аппарат NASA Juno зарегистрировал частицы высоких энергий в форшоке Юпитера — переменной области прямо перед головной ударной волной планеты, где магнитные условия способны разгонять некоторые частицы почти до скорости света . В NASA описывают эти частицы как движущиеся с околосветовой скоростью и связывают наблюдения с новым пониманием того, как космические лучи могут рождаться на ударных волнах .

Это событие интерпретировали как доказательство того, что ускорение частиц в форшоке Юпитера способно достигать гораздо более высоких энергий, чем те, что обычно доступны для измерений вблизи земных планетарных ударных волн . Ранее NASA опубликовало данные плазменных волн с Juno, в том числе колебания, частота которых дает оценку локальной плотности электронов сразу за границей головной ударной волны Юпитера — примерно один электрон на кубический сантиметр .

Универсальное правило масштаба

Сравнив данные о юпитерианских ударных волнах с аналогичными измерениями у Земли и других планет, группа исследователей вывела зависимость, связывающую физический размер ударной системы и максимальную энергию частиц, которую она может произвести .

• Суть открытия: Максимальная энергия частицы растет вместе с увеличением масштаба ускоряющей ударной структуры. Иными словами, чем огромнее ударная волна, тем сильнее она разгоняет частицы .
• Связь с Юпитером: Головная ударная волна Юпитера значительно масштабнее земной, что делает ее идеальным «мостом» между локальными ударными волнами в Солнечной системе и колоссальными астрофизическими аналогами. Юпитер тут выступает как звено, связывающее земные и космические масштабы .

Экстраполяция на остатки сверхновых и космические лучи

Применив полученное правило к астрофизическим объектам, где прямые замеры невозможны, исследователи построили модель для оценки максимальных энергий электронов.

Объект	Масштаб системы относительно Юпитера	Предсказанная макс. энергия электронов
Протозвездный джет HH 211	Значительно больше головной ударной волны Юпитера	Энергии ТэВ-диапазона, согласно экстраполяции
SN 1987A (остаток сверхновой)	Значительно больше головной ударной волны Юпитера	Энергии ТэВ-диапазона, согласно экстраполяции
SN 1006 (остаток сверхновой)	Значительно больше головной ударной волны Юпитера	Энергии ТэВ-диапазона, согласно экстраполяции

Предсказанные высокие энергии для ударных волн остатков сверхновых хорошо согласуются с наблюдениями SN 1006, где рентгеновское синхротронное излучение указывает на ускорение электронов вплоть до энергий около 100 ТэВ . Ударные волны в остатках сверхновых также широко признаны основными кандидатами на роль источников галактических космических лучей .

Интерпретация авторов заключается в том, что механизм ускорения в форшоке или на самой ударной волне может работать одинаково в самых разных бесстолкновительных средах — от планетарных головных ударных волн до остатков сверхновых . Это предполагает, что та же фундаментальная физика, которую Juno зафиксировал у Юпитера, потенциально объясняет, как частицы разгоняются до энергий космических лучей в крупных астрофизических системах .

О чем важно помнить

Распространение масштабной зависимости, полученной на планетах, на остатки сверхновых остается экстраполяцией. Космические аппараты не могут напрямую замерить эти далекие астрофизические ударные волны in situ . Согласие с данными по электронам SN 1006 делает гипотезу правдоподобной, но к ней стоит относиться как к косвенному подтверждению, а не как к прямому доказательству процесса ускорения внутри остатков сверхновых .

Это исследование дает элегантный ответ на давний вопрос о происхождении космических лучей: механизм, который мы можем детально изучить в родной Солнечной системе, по-видимому, работает во всей Вселенной, просто переходя на немыслимые по мощности уровни в рукавах погибших звезд.