Un equipo de científicos de Rusia y China ha desarrollado un modelo que explica la naturaleza de los rayos cósmicos (CR) de alta energía en nuestra galaxia. Estos CR tienen energías que exceden las producidas por explosiones de supernovas en uno o dos órdenes de magnitud. El modelo se centra principalmente en el reciente descubrimiento de estructuras gigantes llamadas burbujas de Fermi.

Uno de los problemas clave en la teoría del origen de los rayos cósmicos, que constan de protones de alta energía y núcleos atómicos, es su mecanismo de aceleración. El problema fue abordado por Vitaly Ginzburg y Sergei Syrovatsky en la década de 1960 cuando sugirieron que los CR se generan durante explosiones de supernovas (SN) en la galaxia. Germogen Krymsky y otros en 1977 propusieron un mecanismo específico de aceleración de partículas cargadas por ondas de choque SN. Debido a la vida limitada de los choques, se estima que la energía máxima de las partículas aceleradas no puede superar los 10 ¹⁴ -10 ¹⁵ eV.

Explicando la naturaleza de las partículas con energías superiores a 10 ¹⁵ eV es clave. Un gran avance en la investigación de los procesos de aceleración de tales partículas se produjo cuando el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi detectó dos estructuras gigantes que emitían radiación en la banda de rayos gamma en el área central de la galaxia en noviembre de 2010. Las estructuras están alargadas y ubicadas simétricamente en el plano galáctico perpendicular a su centro, extendiendo 50, 000 años luz, o aproximadamente la mitad del diámetro del disco de la Vía Láctea. Estas estructuras se conocieron como burbujas de Fermi. Más tarde, el equipo del telescopio Planck descubrió su emisión en la banda de microondas.

La naturaleza de las burbujas de Fermi aún no está clara, pero la ubicación de estos objetos indica su conexión con la actividad pasada o presente en el centro de la galaxia, donde un agujero negro central de 10 ⁶ Se cree que se encuentran las masas solares. Los modelos modernos relacionan las burbujas con la formación de estrellas y / o una liberación de energía en el centro galáctico como resultado de la disrupción de las estrellas por mareas durante su acreción en un agujero negro central. Se pueden detectar estructuras similares en otros sistemas galácticos con núcleos activos.

Dmitry Chernyshov (graduado del MIPT), Vladimir Dogiel (miembro del personal del MIPT) y sus colegas de Hong Kong y Taiwán han publicado una serie de artículos sobre la naturaleza de las burbujas de Fermi. Han demostrado que la emisión de rayos X y rayos gamma en estas áreas se debe a procesos que involucran electrones relativistas acelerados por ondas de choque resultantes de la caída de materia estelar en un agujero negro. En este caso, las ondas de choque deberían acelerar tanto los protones como los núcleos. Sin embargo, en contraste con los electrones, Los protones relativistas con masas más grandes apenas pierden energía en el halo galáctico y pueden llenar todo el volumen de la galaxia. Los autores del artículo sugieren que los frentes de choque de burbujas gigantes de Fermi pueden volver a acelerar los protones emitidos por SN a energías muy superiores a 10 ¹⁵ eV.

El análisis de la reaceleración de los rayos cósmicos mostró que las burbujas de Fermi pueden ser responsables de la formación del espectro CR por encima de la "rodilla" del espectro observado, es decir., a energías superiores a 3 × 10 ¹⁵ eV (rango de energía "B" en la Fig. 2). Para poner esto en perspectiva, la energía de las partículas aceleradas en el Gran Colisionador de Hadrones también es ~ 10 ¹⁵ eV.

“El modelo propuesto explica la distribución espectral del flujo CR observado. Se puede decir que los procesos que describimos son capaces de volver a acelerar los rayos cósmicos galácticos generados en explosiones de supernovas. A diferencia de los electrones, los protones tienen una vida útil significativamente mayor, así que cuando se acelera en las burbujas de Fermi, pueden llenar el volumen de la galaxia y observarse cerca de la Tierra. Nuestro modelo sugiere que los rayos cósmicos que contienen protones de alta energía y núcleos con energía inferior a 1015 eV (por debajo del rango de energía de la "rodilla" del espectro observado), se generaron en explosiones de supernovas en el disco galáctico. Tales CR se vuelven a acelerar en burbujas de Fermi a energías superiores a 1015 eV (por encima de la "rodilla"). La distribución final de los rayos cósmicos se muestra en el diagrama espectral, "dice Vladimir Dogiel.

Los investigadores han propuesto una explicación de las peculiaridades del espectro CR en el rango de energía de 3 × 10 ¹⁵ a 10 ¹⁸ eV (rango de energía "B" en la Fig. 2). Los científicos demostraron que las partículas producidas durante las explosiones SN y que tienen energías inferiores a 3 × 10 ¹⁵ eV experimentan una reaceleración en las burbujas de Fermi cuando se mueven del disco galáctico al halo. Los parámetros razonables del modelo que describe la aceleración de las partículas en las burbujas de Fermi pueden explicar la naturaleza del espectro de rayos cósmicos por encima de 3 × 10 ¹⁵ eV. El espectro por debajo de este rango permanece inalterado. Por lo tanto, el modelo es capaz de producir una distribución espectral de rayos cósmicos idéntica a la observada.