Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 8, стр. 1137-1139

ВВЕДЕНИЕ

Одна из наиболее интересных областей энергетического спектра космических лучей (КЛ) находится в области ПэВных энергий. Именно там наблюдается излом в спектре, так называемое “колено”. Его происхождение – все еще предмет исследований и дискуссий. Подобраться к этой области можно со стороны низких, ТэВных энергий, изучая форму спектра, массовый состав и анизотропию КЛ. Однако эти эксперименты трудны из-за низкой интенсивности КЛ. В настоящей работе мы опишем три из многочисленных проблем, существующих в исследованиях анизотропии при ПэВных энергиях и ниже.

ЗАГАДКА 1: ИНВЕРСНАЯ АНИЗОТРОПИЯ

Солнечная система находится на периферии нашей галактики. Большинство источников КЛ – остатки сверхновых звезд, пульсары и прочие – находятся в так называемой Внутренней Галактике, в направлении к ее центру. Градиент плотности источников направлен от Внешней к Внутренней Галактике. То же самое можно ожидать и для плотности КЛ – она должна убывать по мере удаления от галактического центра к периферии. Так называемая крупномасштабная анизотропия КЛ должна иметь фазу первой гармоники, или максимум ожидаемой интенсивности, в направлении от Внешней Галактики к Внутренней, т.е. в области галактических долгот l = –90°…+90°. На рис. 1 (нижняя панель) показаны результаты измерений фазы анизотропии в экваториальных координатах. Экспериментальные данные взяты из обзора [1]. Если эти данные пересчитать в галактическую систему координат, то они займут область между двумя пунктирными линиями. Видно, что если ожидаемые фазы были в области галактических долгот l от –90° до +90°, т.е. во Внутренней Галактике, то наблюдаемые фазы находятся в области l от +90° до +270°. Это явление мы называем инверсной анизотропией.

Рис. 1.

Наблюдаемые амплитуда (верхняя панель) и фаза (нижняя панель) первой гармоники анизотропии КЛ, представленные в экваториальных координатах.

Это явление можно объяснить, если предположить, что инверсная анизотропия является локальным эффектом, связанным с пространственной ориентацией магнитного поля или флуктуацией плотности межзвездной среды в окрестностях солнечной системы. Солнце расположено в Местном Пузыре на внутренней части рукава Ориона. Плотность магнитного поля и межзвездной среды в рукаве выше, а диффузия частиц медленнее, чем между рукавами. Частицы, двигающиеся из Внутренней Галактики к рукаву наталкиваются как бы на стенку, – часть из них отражается в обратном направлении, – накапливаются и создают инверсный градиент плотности КЛ.

Другое объяснение может быть связано с очевидной неоднородностью пространственного и временного распределения источников КЛ. Один или несколько источников при этом должны быть достаточно близки в пространстве и во времени к Земле. Однако, чтобы быть ответственными за образование инверсной анизотропии, эти источники должны быть, в основном, сосредоточены во Внешней Галактике.

ЗАГАДКА 2: ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ АМПЛИТУДЫ И ФАЗЫ АНИЗОТРОПИИ

На рис. 1 видно, что амплитуда и фаза первой гармоники анизотропии КЛ ведут себя весьма причудливо с ростом энергии. Экспериментальные данные взяты из обзора [1]. Сплошная линия в верхней панели относится к расчетам по нашей модели, описанной в разделе 2. Область между пунктирными линиями в нижней панели показывает фазу анизотропии, ожидаемую, если перевести экспериментальные данные в галактические координаты, учитывая, что они получены в области склонений 30°–60°.

Плавный и медленный рост амплитуды вплоть до энергии порядка 10 ТэВ сменяется резким падением при большей энергии, достигает минимума при 200–300 ТэВ и затем растет снова. Фаза медленно падает от ~40° до ~0° с ростом энергии от 0.1 до 100 ТэВ, затем резко меняется на противоположную при той же энергии порядка 200–300 ТэВ, где наблюдается минимум амплитуды, а потом начинает медленно восстанавливаться при ПэВ-ных энергиях. Ниже мы попытаемся построить модель, объясняющую наблюдаемое поведение анизотропии на основе всего трех компонент, составляющих общий поток КЛ: Галактического Диска, Гало и Одиночного источника.

Интенсивности потоков КЛ для этих компонент обозначим как I_d, I_h, I_ss соответственно. Их энергетические спектры показаны на рис. 2а.

Рис. 2.

а – Схема формирования энергетического спектра КЛ с вкладами галактического Диска, Гало и Одиночного источника; б – амплитуда первой гармоники анизотропии с вкладами Диска + Гало + Одиночного источника (сплошная линия) и то же самое с вкладами только Диска + Гало без Одиночного источника (пунктирная линия).

Амплитуды первой гармоники для этих трех компонент обозначим соответственно как A_d, A_h и A_ss. Если бы КЛ состояли только из двух компонент – Диска и Гало, то их общая амплитуда определялась бы как

Замедление роста анизотропии связано с растущей долей Гало, амплитуда которой постулируется равной нулю: А_h = 0. Однако в этом варианте в поведении суммарной анизотропии не видно минимума, наблюдаемого при энергиях 200–300 ТэВ. Здесь поможет предположение о растущем вкладе Одиночного источника. Его жесткий энергетический спектр и локализация во Внешней Галактике приводят к наблюдаемому минимуму амплитуды анизотропии, которая в этом случае вычисляется как

Ее поведение показано на рис. 1a и 2б сплошной линией. Знак “–” в числителе этого выражения возникает из-за того, что Одиночный источник предполагается существующим во Внешней Галактике, что частично компенсирует поток КЛ из Внутренней Галактики.

ЗАГАДКА 3: ВКЛАД ОДИНОЧНОГО ИСТОЧНИКА

Предположение о существовании и значительной роли Одиночного источника было выдвинуто для объяснения удивительной резкости излома в спектре широких атмосферных ливней (ШАЛ) [2]. Оно основано на очевидной неоднородности распределения источников КЛ и плотности межзвездной среды в пространстве и во времени. Из-за этой неоднородности может оказаться, что один из источников вспыхнул сравнительно недавно и вблизи солнечной системы. Его вклад в полную интенсивность КЛ довольно велик и образует небольшой пик (колено) над фоном от остальных источников.

Для поиска Одиночного источника мы использовали так называемый разностный метод [3]. Он отличается от традиционного метода поиска источников по направлению максимальной интенсивности КЛ. Его идея состоит в том, что разница в характеристиках широких атмосферных ливней (ШАЛ), приходящих из направления на источник, и противоположного направления должна быть максимальной. Метод устойчив против случайных экспериментальных ошибок и позволяет исследовать всю небесную сферу, включая области вне прямой видимости экспериментальной установки.

Для поиска анизотропии мы использовали экспериментальные данные установки ГАММА, работавшей на горе Арагац в Армении [4]. В качестве параметра для сравнения характеристик ШАЛ был выбран возраст ливня, определяемый по крутизне функции пространственного распределения плотности заряженных частиц. Распределения ШАЛ по этому параметру сравнивались для прямого и обратного направлений, и их разность характеризовалась нормированной величиной χ². Двумерный профиль этой величины показан на рис. 3. Максимум разницы распределений в галактических координатах был найден в направлении долготы l = 277 ± 3° и широты b = −5 ± 3°. Наиболее близким источником в этом направлении является комплекс Вела (Вела Х + Вела J), который является хорошим кандидатом на роль Одиночного источника, ответственного за образование колена в энергетическом спектре КЛ при ПэВных энергиях.

Рис. 3.

Двумерный профиль нормированной величины χ², показывающий галактические координаты направления, где наблюдается максимум разницы распределений ШАЛ по возрасту. Белый кружок вблизи центра – направление на источник Вела.

Альтернативным объяснением наблюдаемого максимума может быть влияние регулярного магнитного поля вблизи солнечной системы, связанного с близостью спирального рукава Галактики. Однако нужно отметить, что это влияние должно быть мало, чтобы не разрушить диффузный характер распространения КЛ при ПэВных энергиях и ниже.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей статье мы коснулись только трех загадок, существующих в анизотропии КЛ при ПэВных и ниже. Однако их количество намного больше и повторяя слова Принца Гамлета, мы можем сказать: “Есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам”.