Космические лучи представляют собой высокоэнергетические заряженные частицы, главным образом протоны (около 90%), α-частицы (около 9%) и более тяжелые ядра (около 1%). Энергетический спектр космических лучей носит почти степенной характер и описывается формулой:
$$ \frac{dN}{dE} \propto E^{-\gamma} $$
где E — энергия частицы, а γ — спектральный индекс, принимающий значение около 2.7 для частиц с энергией до ~10¹⁵ эВ. Наблюдаются особенности спектра, известные как “колено” (около 3·10¹⁵ эВ) и “локоть” (около 5·10¹⁸ эВ), которые свидетельствуют о смене механизмов ускорения и возможных источников.
Химический состав космических лучей позволяет выявить их возможное происхождение. Превалирование легких элементов, особенно водорода и гелия, указывает на связь с процессами в звёздах и взрывами сверхновых, тогда как наличие тяжёлых ядер предполагает участие межзвёздной среды.
1. Сверхновые и остатки сверхновых. Основной кандидат на роль источника галактических космических лучей — это остатки сверхновых (SNR). В них наблюдаются мощные ударные волны, способные ускорять частицы до ~10¹⁵ эВ через механизм диффузного ускорения на ударных фронтах (Fermi I типа). Наблюдения рентгеновского и γ-излучения подтверждают присутствие ускоренных частиц в SNR.
2. Активные ядра галактик (AGN). Энергии выше 10¹⁸ эВ требуют экстрагалактических источников. Активные ядра галактик с мощными джетами и магнитными полями способны ускорять частицы до ультравысоких энергий. Космологические расстояния и взаимодействие с реликтовым излучением (эффект ГZK) ограничивают достижимые энергии частиц, которые мы регистрируем на Земле.
3. Гамма-всплески (GRB). Кратковременные, но крайне мощные события в виде гамма-всплесков рассматриваются как возможные источники самых высокоэнергетических космических лучей. Энергетический резерв этих взрывов способен соответствовать наблюдаемым экстремальным энергиям свыше 10¹⁹ эВ.
4. Другие экзотические источники. Существуют гипотезы о роли магнитаров, черных дыр и процессов распада сверхтяжёлых частиц в ускорении космических лучей, однако эти модели пока остаются спекулятивными и требуют подтверждения.
1. Ударное ускорение (Fermi I типа). Частицы многократно пересекают ударную волну в остатках сверхновых, при каждом проходе получая небольшое увеличение энергии. Этот процесс естественно приводит к степенному спектру, наблюдаемому у галактических космических лучей.
2. Стохастическое ускорение (Fermi II типа). Энергия частиц увеличивается за счёт случайных столкновений с магнитными турбулентностями в плазме. Этот процесс менее эффективен, чем ударное ускорение, но может играть роль в регионах с высокими плотностями магнитных возмущений.
3. Магнитные ловушки и джеты AGN. В экстремальных магнитных полях джетов активных галактик частицы могут ускоряться до ультравысоких энергий за короткое время. Эффективность этого механизма зависит от размера джета, интенсивности магнитного поля и времени пребывания частиц в ускоряющей области.
Основная трудность заключается в том, что заряженные частицы отклоняются в магнитных полях галактики, и при регистрации на Земле их направления не указывают прямо на источник. Только для самых высокоэнергетических частиц с энергией >10¹⁹ эВ возможна частичная корреляция с местами происхождения, так как их радиус кривизны в магнитных полях велик.
Наблюдения γ-излучения и нейтрино позволяют обойти эту проблему, так как эти частицы не отклоняются в магнитных полях. Современные проекты, такие как IceCube и CTA (Cherenkov Telescope Array), направлены на поиск корреляций между γ- и нейтринными сигналами и возможными источниками космических лучей.
Космические лучи непрерывно взаимодействуют с магнитными полями и частицами межзвёздной среды. Эти процессы приводят к:
Анализ этих вторичных компонентов позволяет уточнять химический состав, спектр и источники космических лучей.