Космические лучи — это заряженные частицы (в основном протоны и атомные ядра), которые движутся в межзвёздном пространстве со скоростями, близкими к скорости света. Их энергия может в миллионы раз превышать энергию частиц, достижимую в самых мощных земных ускорителях. Однако чем выше энергия, тем реже встречаются такие частицы: на энергетическом спектре наблюдается характерный излом — «колено». Долгое время предполагалось, что все источники космических лучей имеют одинаковый максимальный предел энергии — как если бы каждая фабрика выпускала товар только до определённой цены. Но в таком случае колено было бы резким обрывом, тогда как реально оно плавное.

Новая работа предлагает иной взгляд. Источниками космических лучей считаются остатки сверхновых — расширяющиеся оболочки взорвавшихся звёзд, где частицы ускоряются на ударных волнах. Эти источники не одинаковы: одни мощнее, другие слабее. Если у каждого источника свой предел энергии, то их совокупность даёт плавный изгиб. Авторы показали, что форма колена зависит от того, как распределены эти пределы. Например, когда пределы подчиняются логнормальному закону (много средних, мало очень сильных и очень слабых), излом получается гладким. А если есть длинный хвост из очень мощных источников, то после колена наклон графика почти не меняется.

Чтобы проверить идею, учёные сравнили расчёты с измеренным спектром протонов — самых распространённых частиц в космических лучах. Оказалось, что для объяснения данных нужна группа источников с довольно близкими пределами энергии: разброс всего около 0,24 в логарифмической шкале. Это меньше, чем ожидалось бы от всех остатков сверхновых в Галактике. Значит, колено формирует не вся разношёрстная толпа источников, а лишь сравнительно однородная их часть — те, что способны разгонять частицы до энергий в миллионы миллиардов вольт (петаэлектронвольт, ПэВ).

Такой подход снимает необходимость в жёстком универсальном пределе для всех остатков сверхновых. Вместо одной общей границы — множество частных, и их совокупность создаёт плавный изгиб. Это похоже на город, где небоскрёбы имеют разную высоту: панорама получается ступенчатой, но издалека кажется плавной линией. Понимание формы колена помогает уточнить, какие именно звёздные взрывы вносят главный вклад в космические лучи высоких энергий.