Энергетический спектр от низких до сверхвысоких энергий

Общие закономерности спектра

Космические лучи, наблюдаемые в широком диапазоне энергий от порядка 10⁶ эВ (МэВ) до более чем 10²⁰ эВ, обладают характерным распределением по энергиям. Их спектр хорошо аппроксимируется степенным законом вида

J(E) ∝ E^−γ,

где J(E) — дифференциальная интенсивность космических лучей, E — энергия частицы, а показатель степени γ изменяется в зависимости от диапазона энергий. В большинстве областей спектра γ ≈ 2.7–3.3, однако на кривой интенсивности присутствуют важные особенности — «колено» и «стопа», а также переход к сверхвысоким энергиям.

Низкоэнергетические космические лучи (до 1 ГэВ)

В области энергий до 1 ГэВ на спектр сильнейшее влияние оказывает солнечная активность.

Потоки таких частиц модулируются солнечным ветром и межпланетным магнитным полем.
При высоких уровнях солнечной активности интенсивность космических лучей, достигающих Земли, снижается.
Данные частицы зачастую имеют галактическое происхождение, но их спектр на низких энергиях существенно искажается процессами в гелиосфере.

Галактический спектр и область до «колена» (1 ГэВ – 10¹⁵ эВ)

Основная масса космических лучей, наблюдаемых на Земле, находится в диапазоне от 1 ГэВ до нескольких ПэВ (10¹⁵ эВ).

В этой области спектр описывается степенным законом с показателем γ ≈ 2.7.
Ускорение частиц в данном диапазоне связывается главным образом с ударными фронтами сверхновых, а также с пульсарами и остатками сверхновых.
Спектр однороден и универсален: его форма слабо зависит от химического состава, хотя легкие и тяжелые ядра имеют разные относительные вклады в интенсивность.

«Колено» спектра (около 3 × 10¹⁵ эВ)

В области энергий порядка 3 ПэВ наблюдается перелом спектра, получивший название «колено».

Показатель степени возрастает до γ ≈ 3.0, что отражает уменьшение интенсивности высокоэнергичных частиц.
Считается, что «колено» связано с предельными возможностями галактических источников ускорения (например, остатков сверхновых), где дальнейшее ускорение частиц ограничено магнитными полями и размерами ударных фронтов.
Другой вклад в образование «колена» может давать утечка наиболее энергичных частиц из Галактики.

Между «коленом» и «стопой» (10¹⁶ – 10¹⁸ эВ)

В этом диапазоне спектр становится ещё более крутым.

Здесь значительный вклад могут вносить более редкие, но мощные источники — молодые пульсары, звёздные скопления и, возможно, отдельные типы гиперновых.
Постепенно увеличивается вклад тяжёлых ядер по сравнению с лёгкими, что связано с зависимостью максимальной энергии ускорения от заряда частицы (E_max ∝ Z).
Происходит постепенный переход от преимущественно галактического к внегалактическому происхождению космических лучей.

«Стопа» спектра (около 5 × 10¹⁸ эВ)

При энергии порядка нескольких эксаэлектронвольт (ЭэВ) спектр снова меняет наклон. Эта область известна как «стопа».

Показатель степени уменьшается до γ ≈ 2.7, что указывает на появление нового, более жёсткого источника.
Основная гипотеза связывает «стопу» с началом доминирования внегалактических космических лучей.
Возможные источники — активные галактические ядра, квазары и радиогалактики.

Сверхвысокоэнергичные космические лучи (свыше 10¹⁹ эВ)

Самые редкие и наиболее загадочные частицы достигают энергий выше 10¹⁹–10²⁰ эВ.

Их поток чрезвычайно мал: около одной частицы на квадратный километр в столетие.
Главная особенность — так называемый предел Грайзена–Зацепина–Кузьмина (ГЗК-порог), возникающий при взаимодействии протонов с реликтовым излучением. Согласно этому эффекту, космические лучи с энергией свыше 5 × 10¹⁹ эВ должны терять энергию на больших космологических расстояниях.
Наблюдение таких частиц указывает, что их источники должны находиться относительно близко к нашей Галактике, в пределах примерно 50–100 Мпк.

Характерные черты спектра

Степенной закон — базовое свойство распределения.
Переломы («колено», «стопа») — ключевые маркеры, отражающие смену механизмов ускорения и происхождения частиц.
Состав частиц — на низких энергиях преобладают протоны и лёгкие ядра, а в области колена и выше возрастает роль тяжёлых элементов.
Влияние межгалактической среды — на сверхвысоких энергиях спектр зависит от взаимодействия частиц с фоновыми излучениями Вселенной.

Таким образом, энергетический спектр космических лучей является не просто функцией энергии, но и отражением сложной физической картины: от локальных процессов ускорения в галактических объектах до глобальных космологических эффектов распространения и взаимодействия частиц.