Космические лучи галактического происхождения представляют собой поток заряженных частиц — в первую очередь протонов, ядер гелия и более тяжёлых ядер, а также электронов и позитронов, распространяющихся в нашей Галактике. Их энергии варьируются в колоссальном диапазоне: от порядка гигаэлектронвольт до экстремально высоких значений, достигающих 1015 − 17 эВ, где влияние галактических ускорителей всё ещё доминирует.
Отличительной особенностью галактических космических лучей является их изотропность — равномерность прихода из разных направлений, что указывает на мощное рассеяние в межзвёздном магнитном поле. Однако мелкомасштабные анизотропии и спектральные особенности позволяют реконструировать возможные источники и механизмы ускорения.
Наиболее признанным источником галактических космических лучей являются взрывы сверхновых и связанные с ними ударные волны.
Механизм ускорения на ударных фронтах. При расширении оболочки сверхновой во взаимодействии с межзвёздной средой возникает ударный фронт, на котором эффективно реализуется диффузионное ускорение Ферми I-го порядка. Частицы многократно пересекают фронт, приобретая энергию на каждом цикле.
Энергетическая эффективность. Чтобы объяснить наблюдаемую плотность космических лучей в Галактике, сверхновые должны преобразовывать примерно 10–15% энергии взрыва (около 1051 эрг) в ускоренные частицы. Модели и наблюдения остатков сверхновых (например, Cassiopeia A, Tycho, SN 1006) подтверждают наличие ускоренных протонов и электронов, испускающих синхротронное и гамма-излучение.
Энергетический предел. Остатки сверхновых способны ускорять частицы до энергий порядка 1014 − 15 эВ (так называемое “колено” спектра). Более высокоэнергичные частицы требуют участия иных источников.
Нейтронные звёзды с сильными магнитными полями — пульсары и магнетары — представляют собой ещё один важный класс источников.
Пульсары считаются основными кандидатами для объяснения избытка электронов и позитронов в спектрах космических лучей, обнаруженного современными детекторами (например, AMS-02 и PAMELA).
Ударные волны возникают не только при взрывах сверхновых, но и в результате взаимодействия звёздных ветров массивных звёзд (O- и B-типов). В областях звёздообразования, где концентрируются десятки и сотни массивных звёзд, создаются коллективные ударные зоны, способные ускорять частицы.
Галактическое ядро с его сверхмассивной чёрной дырой (Стрелец A*) также может играть роль в генерации космических лучей.
Наблюдения показывают, что космические лучи могут формироваться в результате суперпозиции процессов:
Современные инструменты в гамма-диапазоне (HESS, MAGIC, VERITAS, Fermi-LAT) позволили получить косвенные доказательства существования галактических ускорителей:
Эти данные укрепляют концепцию многообразия источников и их комбинированного вклада в галактический спектр космических лучей.
Энергетический спектр галактических космических лучей имеет характерный излом при 1015 эВ (колено). Это указывает на предел возможностей галактических ускорителей. При энергиях выше 1017 эВ вклад начинают вносить внегалактические объекты — активные ядра галактик, квазары, гамма-всплески. Таким образом, галактические источники доминируют в основном энергетическом диапазоне до “колена”, формируя основу наблюдаемого космического фона.