Космические лучи представляют собой заряженные частицы высокой энергии, приходящие к Земле из межзвёздного и межгалактического пространства. Их изучение невозможно без интеграции с другими областями астрофизики, поскольку процессы генерации, ускорения и распространения космических лучей тесно связаны с явлениями, наблюдаемыми в гамма-астрономии, рентгеновской и радиоастрономии.
Одним из ключевых аспектов является изучение источников высокоэнергетических частиц. Сверхновые звёзды, пульсары, активные ядра галактик (AGN) и γ-лучевые всплески (GRB) формируют частицы с энергиями до 10²⁰ эВ. Взаимодействие космических лучей с магнитными полями галактик приводит к синхротронному излучению, которое фиксируется в радио- и рентгеновском диапазонах. Анализ этого излучения позволяет реконструировать траектории частиц, оценить структуру магнитных полей и распределение источников.
С открытием гравитационных волн появилась возможность прямой связи событий коллапса массивных объектов с выбросом космических лучей. В частности, слияния нейтронных звёзд и черных дыр могут создавать шоки, ускоряющие частицы до сверхвысоких энергий. Совместный анализ данных по гравитационным волнам и космическим лучам позволяет идентифицировать физические процессы, протекающие в экстремальных условиях, и уточнять модели ускорения частиц в шоковых волнах.
Космические лучи играют ключевую роль в мультимессенджерной астрофизике — направлении, объединяющем наблюдения фотонов (от радиоволн до γ-лучей), нейтрино и гравитационных волн. Например, взаимодействие высокоэнергетических космических лучей с фотонами реликтового излучения (эффект ГЗК) приводит к генерации нейтрино и гамма-квантов, которые можно зафиксировать специализированными телескопами, такими как IceCube или Fermi LAT. Мультимессенджерные наблюдения позволяют локализовать источники частиц и оценить спектральные характеристики ускорителей.
Космические лучи оказывают значительное влияние на термодинамику и химическое состояние межзвёздной среды. Проникая в молекулярные облака, они ионизируют газ, стимулируют химические реакции и влияют на формирование звёздных объектов. Астрономические наблюдения спектральных линий, зависящих от ионизации, дают возможность количественно оценить поток космических лучей и их энерговложения в галактическом масштабе.
Распространение космических лучей в галактиках и межгалактическом пространстве невозможно без учета магнитных полей. Эти поля не только отклоняют заряженные частицы, но и определяют диффузию и время удержания их в галактиках. Моделирование магнитной турбулентности и взаимодействия с плазмой позволяет предсказывать спектры космических лучей на различных расстояниях от источников и объяснять наблюдаемые анизотропии.
Фундаментальные механизмы ускорения частиц тесно связаны с астрофизическими объектами. Классический механизм Ферми второго порядка реализуется в турбулентных областях межзвёздной плазмы, а ускорение на ударных волнах сверхновых и пульсарных туманностей реализует механизм Ферми первого порядка. Совместное использование наблюдательных данных по космическим лучам и моделирование гидродинамики шоков позволяет строить физически обоснованные модели ускорителей.
Высокоэнергетические космические лучи служат инструментом для изучения крупномасштабной структуры Вселенной. Их распространение чувствительно к плотности межгалактического газа, магнитных полей и фотонного фона. Сравнение моделей спектров и анизотропий с экспериментальными данными позволяет уточнять параметры космологической среды и строить более точные модели формирования и эволюции галактик.