Космические лучи представляют собой поток высокоэнергетических частиц, преимущественно протонов и ядер атомов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Их энергия варьируется от десятков МэВ до экстремально высоких значений порядка 1020 эВ. Космические лучи классифицируются по происхождению на галактические, солнечные и внегалактические, при этом галактические составляют основную массу частиц с энергиями до 1015 эВ.
Взаимодействие космических лучей с веществом межзвёздной среды или с атмосферой планеты приводит к генерации вторичных частиц, среди которых особое значение имеет гамма-излучение.
Гамма-излучение, связанное с космическими лучами, образуется несколькими основными процессами:
Преобразование π⁰-мезонов: Космические лучи высокой энергии при столкновении с ядрами межзвёздного газа могут продуцировать π⁰-мезоны, которые крайне нестабильны и распадаются почти мгновенно в два гамма-кванта. Этот процесс доминирует при энергиях свыше нескольких сотен МэВ.
p + p → p + p + π0, π0 → 2γ
Бремсстраhlung электронов: Высокоэнергетические электроны, ускоренные теми же механизмами, что и протоны, при взаимодействии с электромагнитным полем ядер испускают гамма-кванты. Этот процесс особенно важен для гамма-излучения с низкой и средней энергией.
Обратный комптоновский эффект: Релятивистские электроны могут рассеивать низкоэнергетические фотонные потоки, такие как микроволновое фоновое излучение или оптическое излучение звёзд, увеличивая энергию фотонов до гамма-диапазона.
Синхротронное излучение: Хотя синхротронное излучение обычно лежит в радиодиапазоне, для экстремально релятивистских электронов в сильных магнитных полях оно может достигать гамма-энергий. Это актуально для источников с мощными магнитными полями, например, вокруг нейтронных звёзд или черных дыр.
Суперновые остатки: Считается, что именно в шоковых волнах суперновых происходит эффективное ускорение протонов и ядер до энергий порядка 1015 эВ. Их столкновения с межзвёздным газом создают π⁰-мезоны и гамма-излучение.
Пульсары и магнитары: Релятивистские электроны в магнитных полях этих объектов создают гамма-излучение через синхротронное и обратное комптоновское рассеяние.
Галактический центр и активные ядра галактик: Огромные плотности частиц и магнитные поля обеспечивают ускорение до экстремальных энергий, что ведет к формированию высокоэнергетического гамма-фона.
Диффузное гамма-излучение галактик: Релятивистские протонные космические лучи, рассеивающиеся в межзвёздном газе, создают фоновый поток гамма-квантов, наблюдаемый как диффузное излучение.
Энергетический спектр гамма-излучения отражает спектр первичных космических лучей. Для π⁰-декейного гамма-излучения пик энергии кванта примерно равен 10% от энергии протона-инициатора. Это позволяет, анализируя спектр гамма-излучения, оценивать энергетический состав и спектральный индекс космических лучей.
Сложение механизмов бремсстраhlung и обратного комптоновского рассеяния приводит к более сложной картине: гамма-излучение становится чувствительным не только к спектру электронов, но и к плотности фонового фотонного поля и магнитного поля.
Для изучения связи космических лучей и гамма-излучения используются как космические, так и наземные инструменты:
Космические телескопы: Спутники типа Fermi-LAT или AGILE регистрируют гамма-кванты от нескольких МэВ до сотен ГэВ, обеспечивая высокую разрешающую способность и возможность наблюдать слабые источники.
Наземные черенковские детекторы: Телескопы, регистрирующие черенковское излучение атмосферных лавин, позволяют исследовать гамма-кванты в диапазоне от десятков ГэВ до сотен ТэВ, что критически важно для понимания экстремальных источников космических лучей.
Нейтринные обсерватории: Так как взаимодействия космических протонов с веществом создают не только гамма-кванты, но и нейтрино, совместный анализ гамма- и нейтринного излучения позволяет уточнять природу ускорителей высокоэнергетических частиц.
Гамма-кванты могут подвергаться поглощению на фотонных полях межзвёздного пространства через процессы создания электрон-позитронных пар (γ + γф → e+ + e−). Этот эффект становится критическим при энергиях свыше 100 ГэВ в галактическом и межгалактическом масштабе, влияя на наблюдаемый спектр и ограничивая видимость дальних источников.
Таким образом, гамма-излучение выступает прямым маркером процессов ускорения космических лучей, обеспечивая уникальную возможность исследовать высокоэнергетические явления Вселенной и уточнять природу источников релятивистских частиц.