Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 8, стр. 1046-1048

Источники космических лучей (КЛ) ультравысоких энергий (УВЭ), E > 4 ∙ 10¹⁹ эВ, пока не установлены. В настоящее время общепринята точка зрения, что КЛ УВЭ имеют внегалактическое происхождение и излучаются активными ядрами галактик. КЛ УВЭ исследуются с помощью наземных установок Pierre Auger Observatory (PAO) и Telescope Array (TA). Информация, которую получают на установках, – это направления приходов падающих частиц, их энергия и массовый состав (протоны или ядра).

В межгалактическом пространстве КЛ УВЭ взаимодействуют с фоновыми излучениями. В результате взаимодействий частиц с микроволновым космическим фоном энергетический спектр частиц «обрезается» - в нем отсутствуют частицы с энергией E > 10²⁰ эВ, если КЛ летят с расстояний, превышающих ~100 Мпк (ГЗК-эффект: [1, 2]). Энергетические спектры, полученные на установках PAO и TA, обрезаны. Однако они не согласуются по форме в области E ≥ 5 ∙ 10¹⁹ эВ, и это различие интерпретируется как разный массовый состав КЛ УВЭ: по данным PAO – это ядра, по данным TA – протоны.

Взаимодействие КЛ с фоновыми излучениями приводит, помимо ГЗК-эффекта, к образованию в межгалактическом пространстве электромагнитных каскадов [3, 4]. В каскадах образуется гамма-излучение, которое в составе внегалактического диффузного излучения измеряется с помощью прибора Fermi LAT (Large Area Telescope), размещенного на борту космической обсерватории Fermi [5].

КЛ теперь исследуют, привлекая не только их энергетические спектры, но и данные по каскадному гамма-излучению. Вследствие этого рассматриваемые модели КЛ УВЭ должны удовлетворять двум критериям. Во-первых, как и прежде, требуется, чтобы вычисленные энергетические спектры КЛ УВЭ описывали измеренный спектр. Во-вторых, модельная интенсивность каскадного гамма-излучения должна быть меньше, чем измеренная интенсивность внегалактического диффузного излучения за вычетом вклада отдельных неразрешенных гамма-источников.

Мы обсуждаем КЛ УВЭ с моноэнергетическими либо жесткими, |γ_g| < ≈2.2, начальными спектрами и гамма-излучение, которое порождают такие КЛ в межгалактическом пространстве. Рассматриваемые спектры инжекции могут формироваться, если частицы ускоряются непосредственно в сверхмассивных черных дырах (СМЧД). Ускорение может происходить по механизму Блендфорда–Знаека [6]. Кроме того, предложены сценарии, в которых частицы могут ускоряться до УВЭ электрическим полем в полярных областях СМЧД. Одна из таких моделей обсуждается в работах [7, 8]. В этой модели космические протоны ускоряются до энергий 2 ∙ 10²⁰ эВ, причем спектр излучения КЛ УВЭ имеет резкий пик вблизи максимальной энергии частиц. Еще одна модель, по которой протоны ускоряются до энергии 10²¹ эВ, представлена в работе [9]. В этом сценарии предполагается, что СМЧД окружена сверхсильным магнитным полем величиной ~10¹¹ Гс. Предложена также модель [9], в которой частицы могут ускоряться электрическим полем на участках аккреционного диска, где происходит взрывной рост поля.

В этой работе мы показываем, что источники КЛ УВЭ с жесткими и моноэнергетическими спектрами дают малый вклад в поток частиц, регистрируемых наземными установками. К тому же модельный спектр КЛ, дошедших до установки, сильно отличается от измеренного спектра по форме. Однако, несмотря на незначительную интенсивность частиц на Земле, КЛ от источников с рассматриваемыми спектрами могут создавать в межгалактическом пространстве заметный поток диффузного гамма-излучения по сравнению с данными, полученными с помощью Fermi LAT. Это необходимо учитывать, анализируя состав КЛ и их источники, а также модели темной материи, так как и каскадное излучение от КЛ УВЭ, и распады частиц темной материи вносят вклад в диффузное излучение. Кроме того, мы делаем вывод, что данные о внегалактическом диффузном гамма-излучении могут служить источником информации о процессах рождения частиц УВЭ в СМЧД. Вычисления проводились по программе TransportCR [11].

Рис. 1.

Энергетический спектр КЛ УВЭ, полученный на установке PAO [13] (точки), и модельные спектры КЛ, полученные для разных значений показателя спектра инжекции γ_g: длинная пунктирная линия – γ_g = 2.2, пунктирная линия – γ_g = 1.8, длинная штрихпунктирная линия – γ_g = 1, штрихпунктирная линия с двумя точками – γ_g = 0.5, короткая штрихпунктирная линия – γ_g = 0. Модельные спектры нормированы на спектр PAO при энергии 10^19.5 эВ. Спектр КЛ УВЭ с моноэнергетическим начальным спектром частиц обсуждается в [12].

В межгалактическом пространстве КЛ УВЭ взаимодействуют с микроволновым и радио излучениями p + γ_rel → p + π⁰, p + γ_rel → n + π⁺. Распады образующихся пионов π⁰ → γ + γ, π⁺ → μ⁺ + ν_µ и мюонов μ⁺ → e⁺ + ν_e + $\nu \overline {_{{\mu }}} $ дают начало позитронам и гамма-квантам, а они порождают электромагнитные каскады в реакциях с микроволновым излучением и внегалактическим фоновым светом γ + γ_b → e⁺ + e^– (образование пар) и e + γ_b → e' + γ' (обратный комптон-эффект). Предположения, принятые в модели, относятся к трем пунктам: это источники КЛ УВЭ (их спектры инжекции и эволюция), внегалактические фоновые излучения и внегалактические магнитные поля. Мы предполагаем, что источники КЛ УВЭ – точечные. Это СМЧД, в которых заряженные частицы ускоряются до УВЭ в процессах [6, 9, 10]. Возможные спектры инжекции КЛ выбирались исходя из процессов ускорения КЛ в СМЧД: в модели [9] мы предполагаем моноэнергетический спектр инжекции КЛ с энергией E₀ = 10²¹ эВ; при ускорении частиц в модели [10] мы полагаем исходные спектры КЛ степенными с показателем |γ_g| < ≈2.2; кроме того, в этой модели предполагается равновероятное рождение частиц с любой энергией в диапазоне УВЭ 4 ∙ 10¹⁹–10²¹ эВ, тогда спектр инжекции – степенной с показателем γ_g = 0. Далее мы предполагаем, что КЛ УВЭ состоят из протонов. Мы полагаем, что рассматриваемые источники КЛ УВЭ удалены на расстояния, соответствующие z ≥ 0.05. Космологическая эволюция источников влияет на спектр КЛ у Земли. Космологическая эволюция СМЧД неясна и здесь рассматривается возможный сценарий эволюции, обсуждавшийся в работе [12]. Внегалактические фоновые излучения и межгалактическое магнитное поле рассматривались так же, как в [12].

Вычисленные энергетические спектры КЛ УВЭ показаны на рисунке. На нем приведен также спектр, полученный на установке PAO. При всех рассмотренных спектрах инжекции модельные спектры КЛ не описывают измеренный спектр PAO (и спектр, полученный на установке TA). Вычисленная интегральная интенсивность каскадного гамма-излучения составляет:

Сравним модельную интегральную интенсивность гамма-излучения с данными Fermi LAT [5]. Измеренный внегалактический изотропный диффузный фон IGRB равен:

Исключая из IGRB вклад неразрешенных источников, равный 72% (с учетом ошибки 14% [14]), получаем следующее значение IGRB_{without blazars} (E > > 50 ГэВ):

Вычисленная интенсивность каскадного гамма-излучения меньше измеренной:

если показатель экспоненциального спектра инжекции КЛ γ_g < –1.

В [5] при обработке данных измерений используются сведения о галактическом фоне, полученные в рамках трех моделей, обозначенных “A”, “B” и “C”. Учитывая ошибки измерения, а также неопределенность в данных о галактическом фоне в модели “A”, получаем следующую полосу значений IGRB_{without blazars} (E > 50 ГэВ):

Вычисленная интенсивность каскадного гамма-излучения удовлетворяет условию (9) при степенных спектрах инжекции с показателем γ_g = 0, –0.5, –1, –1.8, –2.2. На интенсивность каскадного гамма-излучения влияет и эволюция источников КЛ: более сильная эволюция приводит к повышению интенсивности каскадного гамма-излучения [12].

Возможно, что СМЧД являются источниками КЛ УВЭ, дающими малый вклад в поток частиц на Земле. Однако эти КЛ создают в межгалактическом пространстве заметный поток диффузного гамма-излучения по сравнению с данными Fermi LAT. Интенсивность каскадного гамма-излучения зависит от формы рассматриваемых спектров инжекции. Поэтому мы заключаем, что данные о внегалактическом диффузном гамма-излучении могут применяться в исследовании процессов ускорения КЛ в СМЧД. Полученные результаты зависят главным образом от вклада внегалактических источников в диффузное гамма-излучение. В настоящее время он определен с ошибкой около 15% [13]. Его уточнение возможно на приборах с лучшим угловым разрешением, чем у Fermi LAT.

Автор благодарит О.Е. Калашева за обсуждение кода Transport CR и Н.П. Топчиева за обсуждение характеристик космических гамма-телескопов. Автор благодарит рецензента за замечания.