Аномалии в спектре: колено, лодыжка и обрезание

Энергетический спектр космических лучей, наблюдаемый на Земле, в первом приближении описывается степенной зависимостью с показателем около –2,7. Однако детальные наблюдения показывают, что эта зависимость не является строго монотонной: в спектре присутствуют выраженные особенности, получившие условные названия «колено», «лодыжка» и «обрезание». Эти аномалии отражают фундаментальные процессы ускорения и распространения космических частиц в нашей Галактике и за её пределами, а также взаимодействия с межгалактическим веществом и фоновым излучением.

Колено спектра

Энергетическая область: около 3 × 10¹⁵ эВ.

При энергиях до нескольких петаэлектронвольт (ПэВ) спектр космических лучей хорошо описывается степенной функцией с показателем −2, 7. Однако начиная с энергий порядка 3 ПэВ наблюдается резкое изменение наклона спектра — показатель степенного закона становится ближе к −3, 1. Эта особенность получила название «колено» из-за характерного перегиба на графике в логарифмических координатах.

Физическая интерпретация колена:

Одним из ведущих объяснений является ограниченная способность галактических ускорителей (главным образом, ударные волны в остатках сверхновых) ускорять частицы. Максимальная энергия ускорения пропорциональна заряду ядра (E_max ∼ Z), поэтому сначала из спектра начинают «выбывать» лёгкие ядра (протоны, гелий), а затем более тяжёлые.
Другой механизм связан с потерями частиц при диффузии через галактическое магнитное поле: с ростом энергии радиус кривизны траектории увеличивается, и высокоэнергетичные частицы легче покидают Галактику.

Таким образом, «колено» отражает предел эффективности галактических ускорителей и изменения в механизме удержания космических лучей в нашей Галактике.

Лодыжка спектра

Энергетическая область: около 3 × 10¹⁸ эВ.

Следующей заметной особенностью является «лодыжка», представляющая собой уплощение спектра в районе нескольких эксаэлектронвольт (ЭэВ). В логарифмическом масштабе это выглядит как подъём или смягчение наклона спектра, где показатель изменяется с −3, 3 до примерно −2, 7.

Основные модели интерпретации:

Переход от галактических к внегалактическим космическим лучам. Согласно этой гипотезе, «лодыжка» отражает смену доминирующего источника: ниже этой энергии поток формируется преимущественно галактическими ускорителями, выше — внегалактическими (активные галактические ядра, квазары, гамма-всплески).
Модель затухания (dip model). В альтернативной интерпретации «лодыжка» является результатом взаимодействия протонов с реликтовым излучением (главным образом через процессы электрон-позитронного производства). В этом случае спектральная особенность возникает как следствие потерь энергии при распространении частиц, а не как переход между источниками.

Таким образом, «лодыжка» играет ключевую роль в понимании границы между галактической и внегалактической компонентами космических лучей.

Обрезание спектра

Энергетическая область: выше 5 × 10¹⁹ эВ.

При энергиях порядка нескольких десятков ЭэВ наблюдается резкое падение интенсивности космических лучей. Эта особенность известна как «обрезание» спектра. В классической интерпретации она связана с эффектом Грайзена–Зацепина–Кузьмина (ГЗК-обрезание).

Механизм эффекта ГЗК:

Космические лучи с энергией выше 5 × 10¹⁹ эВ начинают активно взаимодействовать с фотонами реликтового микроволнового фона.
Основной процесс — фотопионное производство (p + γ_CMB → π + N), приводящее к потере энергии частицами.
Для ядер тяжёлых элементов ключевым процессом становится фоторазрушение на фоне космического микроволнового и инфракрасного излучения.

В результате частицы с энергиями выше пороговых не могут распространяться на большие космологические расстояния, и мы наблюдаем их лишь от сравнительно близких (до ~100 Мпк) источников.

Альтернативные интерпретации:

Обрыв спектра может быть обусловлен не только эффектом ГЗК, но и ограничениями в механизмах ускорения: возможно, даже самые мощные внегалактические источники не способны разогнать частицы до энергий значительно выше 10²⁰ эВ.
Некоторые гипотезы предполагают влияние новой физики, например распад сверхтяжёлых частиц или нарушения лоренц-инвариантности, однако эти идеи пока не имеют подтверждений.

Связь между аномалиями

Колено указывает на предел возможностей галактических ускорителей и постепенный уход лёгких элементов из спектра.
Лодыжка может интерпретироваться либо как начало господства внегалактической компоненты, либо как результат специфических потерь энергии протонов на фотонном фоне.
Обрезание фиксирует фундаментальное взаимодействие космических лучей с реликтовым излучением и накладывает ограничение на дальность «видимости» источников ультравысокоэнергетических частиц.

Таким образом, три спектральные особенности отражают три ключевых аспекта физики космических лучей: пределы ускорения, смену источников и фундаментальные ограничения на распространение во Вселенной.