ускорение космических лучей

295 000 метров в секунду. С такой скоростью не мчатся даже частицы в корональных выбросах Солнца. Но в центре скопления галактик H1821+643 горячий газ движется именно так. Квазар в его сердце делает выдох — и его дыхание взбаламучивает всё вокруг на расстоянии в 60 тысяч световых лет.

Пятнадцать лет наблюдений гамма-телескопа Fermi вскрыли трещину в полу Галактики. Южнее скопления Westerlund 1 — самого массивного молодого звёздного скопления в Млечном Пути — обнаружено протяжённое свечение, совпадающее с полостью в атомарном водороде. Это не просто ещё один пузырь, выдутый ветрами и сверхновыми.

Космос пронизан магнитными полями. Они есть у галактик, звёзд и даже в почти пустых войдах (огромных пустотах между скоплениями галактик). Обычно считается, что поля усиливаются из слабых «затравочных» полей благодаря турбулентности — как динамо-машина. Но природа самих затравочных полей оставалась загадкой. Новая работа предлагает неожиданный механизм.

Заводской лазер, который на производстве режет и сваривает металл, впервые заставили работать ускорителем частиц. Физики взяли стандартный иттербиевый лазер — его сердцевина из кристалла размером с ладонь — и превратили его вспышки в инструмент для разгона электронов почти до скорости света.

В жаркий полдень над городом нависает душное марево, а на горизонте ни облачка. Обычно в такую погоду остаётся только ждать, когда природа смилостивится и пошлёт прохладу. А что, если бы тень и дождь можно было включать по расписанию, как свет в комнате? Группа исследователей предлагает необычный инструмент для такой «погодной кнопки» — воздушный ускоритель протонов.

В оркестре каждый музыкант играет свою партию, но в определённый момент все инструменты замирают на одной ноте. Примерно так ведут себя космические лучи — частицы, летящие к нам от далёких звёзд.

Когда массивная звезда взрывается сверхновой, её внешние слои разлетаются в пространство со скоростью тысячи километров в секунду. Возникает ударная волна — гигантский невидимый вал, который сгребает межзвёздный газ и пыль, как бульдозер.

Межзвёздное пространство не пустое: оно заполнено разреженным газом, который местами тёплый, местами холодный. Границы между такими областями напоминают стенки между мыльными пузырями. Когда сверхэнергичная частица — космический луч — налетает на такую стенку, магнитное поле там резко меняется, и частица отскакивает, как мячик от бортика.

Когда тяжёлое ядро на огромной скорости врезается в межзвёздный газ, оно разваливается на куски. Дальше эти куски — литий, бериллий, бор — летят дальше, и их количество в потоке космических лучей зависит от того, как именно шло разрушение. Обычно считалось, что с ростом энергии пропорции должны плавно меняться, как меняется вкус супа, если доливать воду.

Ударная волна в короне Солнца похожа на звуковой удар от самолёта, только вместо воздуха — раскалённая плазма, а вместо звука — скачок плотности и магнитного поля. 10 марта 2024 года такая волна прошла по западной части солнечного диска.

Струя воды из шланга, бьющая в стену, растекается в стороны. Так же ведут себя астрофизические джеты — узкие потоки плазмы, выбрасываемые из окрестностей чёрных дыр или молодых звёзд. Когда такой поток встречает сопротивление окружающего газа, внутри него образуется ударная волна, похожая на стоячую волну в быстрой реке.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый кубит — музыкант, играющий свою партию. Но в зал время от времени врывается космический луч, и скрипач вздрагивает, сбиваясь с ритма. Эти частицы из далёкого космоса пронзают чип, выбивают лишние электроны и портят хрупкую квантовую музыку.

Вращающаяся чёрная дыра действует как космический генератор: её вращение передаёт энергию в невидимое скалярное облако — кандидат на роль тёмной материи. Скалярное поле, в отличие от векторных (например, электромагнитного), в каждой точке пространства описывается одним числом — подобно температуре, которая не имеет направления.

Новое исследование подтвердило: ударные волны в плазме, окружающей сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик, функционируют подобно океанским валам, разгоняя протоны до околосветовых скоростей.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро коллапсирует, а внешние слои выбрасываются в пространство со скоростью в тысячи километров в секунду. Так рождается остаток сверхновой — расширяющееся облако ударно-сжатого газа, простирающееся на световые годы.