Межзвездная среда представляет собой совокупность газа, пыли, магнитных полей и излучения, заполняющих пространство между звёздами в Галактике. Её состав и структура играют ключевую роль в процессе распространения космических лучей. Газ межзвездной среды представлен в основном водородом (около 90% по числу атомов), гелием (около 9%) и тяжелыми элементами в виде примесей. Среда имеет неоднородную структуру: области с высокой плотностью (молекулярные облака), диффузный газ, горячие разреженные плазменные пузыри, связанные со вспышками сверхновых.
Физические параметры среды — температура, плотность, ионизация, напряженность магнитных полей и турбулентность — напрямую определяют, как космические лучи теряют энергию, рассеиваются и изменяют спектр при движении от источника к наблюдателю.
Межзвездная среда пронизана галактическим магнитным полем, типичная величина которого составляет несколько микрогаусс. Это поле не является однородным, оно обладает сложной структурой с турбулентными компонентами. Космические лучи, обладающие зарядами, движутся вдоль силовых линий, но из-за неровностей магнитного поля подвергаются множественному рассеянию.
В результате формируется диффузионный режим распространения, при котором частицы совершают случайное блуждание в пространстве. Диффузия зависит от энергии: чем выше энергия частицы, тем больше её жесткость и тем слабее влияние магнитных возмущений. Это приводит к энергозависимой задержке космических лучей в Галактике и изменению наблюдаемого спектра.
Космические лучи теряют энергию при взаимодействии с компонентами межзвездной среды. Основные механизмы:
Эти процессы приводят к тому, что низкоэнергетические частицы в значительной степени «выгорают» при распространении и не достигают Земли, формируя специфический вид наблюдаемого спектра.
Высокоэнергичные протоны и ядра, сталкиваясь с межзвездным газом, порождают вторичные частицы: пионы, каоны, электроны, позитроны и нейтрино. Пионы быстро распадаются, образуя гамма-кванты и мюоны. Именно это является основным механизмом образования диффузного гамма-излучения Галактики, зарегистрированного космическими телескопами.
Кроме того, при разрушении первичных ядер (например, углерода, кислорода) образуются вторичные ядра (бор, литий, бериллий). Их отношение к первичным (например, B/C) используется как ключевой инструмент диагностики процессов распространения космических лучей.
Молекулярные облака, обладающие высокой плотностью газа (до 10³–10⁵ частиц на кубический сантиметр), являются естественными лабораториями для изучения взаимодействий космических лучей. При попадании в такие объекты космические лучи порождают интенсивное гамма-излучение, наблюдаемое современными обсерваториями. Таким образом, молекулярные облака служат своеобразными «калориметрами», фиксирующими поток и спектр космических лучей в конкретных областях Галактики.
Задержка частиц в магнитных полях Галактики приводит к тому, что космические лучи многократно отражаются от областей различной плотности, пока не покидают диск. Время пребывания обратно пропорционально энергии частиц: чем выше энергия, тем быстрее они покидают Галактику. Это объясняет, почему наблюдаемый спектр космических лучей оказывается более крутым (с показателем ~2,7), чем спектр ускорения в источниках (с показателем ~2,0–2,2).
Кроме того, магнитная структура Галактики определяет анизотропию космических лучей — небольшие отклонения от изотропного распределения, которые фиксируются наземными детекторами.
Межзвездное излучение в диапазонах от радио до гамма-волн играет важную роль для электронов и позитронов. При обратном комптоновском рассеянии они передают часть своей энергии фотонам, что формирует наблюдаемый спектр гамма-излучения Галактики.
Пылевые частицы, хотя и составляют незначительную долю массы межзвездной среды, активно участвуют в поглощении и переизлучении энергии. Они влияют на тепловой баланс среды, косвенно воздействуя на условия распространения космических лучей.
Наблюдаемый спектр космических лучей — результат сложного сочетания процессов:
Эти механизмы совместно формируют характерный степенной спектр с различными особенностями: коленом при энергии ~10¹⁵ эВ и пятой ступенью (ankle) около 10¹⁸ эВ. Каждая из этих особенностей связана с условиями взаимодействия космических лучей с межзвездной и межгалактической средой.