Кометы испускают рентгеновские лучи

Откуда берётся рентгеновское излучение "хвостатых звёзд"? Новые эксперименты дают ответ на этот вопрос. Впрочем, воспроизведённые в лаборатории процессы происходят не только на кометах. Они могут дать ключ к пониманию многих явлений в астрофизике.

О достижении рассказывает научная статья, опубликованная исследователями из 15 научных центров в журнале Nature Physics.

Для астронома рентгеновское излучение – первый признак высокой температуры. Потоками "X-лучей" Вселенную окатывает раскалённый газ, идёт ли речь о солнечной вспышке или о яростной мощи квазара.

Как же тогда быть с кометами, в буквальном смысле состоящими изо льда? Довольно давно учёные предположили, что здесь действует тот же механизм, что и в медицинском рентгеновском аппарате (там ведь тоже никто не нагревает плазму до миллионов градусов). Когда быстрые электроны достаточно резко тормозятся, они высвечивают свою энергию в виде "X-лучей".

Откуда берутся эти электроны? Очевидно, это частицы солнечного ветра, в таком количестве им взяться больше неоткуда. Но ведь электроны, испущенные Солнцем, вовсе не имеют той скорости, которая нужна для генерации рентгеновского излучения. Они гораздо более неторопливы. Сесть на комету, конечно, можно, но предполагать, что на каждой из них смонтирован небольшой ускоритель – это, пожалуй, слишком экстравагантная гипотеза.

Однако ускорители бывают не только рукотворными. Заряженные частицы ускоряет любое электрическое поле. Требуется только понять, откуда на глыбе космического льда возьмётся поле с нужными параметрами.

Чтобы разобраться в вопросе, исследователи провели серию экспериментов на лазерной установке LULI в Париже. Опыты имитировали воздействие солнечного ветра на комету.

Исследователи направили лазерный луч на тонкий слой пластика. Энергия луча превратила вещество в ионизированный газ, то есть плазму. Она имитировала плазму солнечного ветра. Примерно в сантиметре от мишени находилась твёрдая сфера, играющая роль кометы.

Тщательные эксперименты и теоретические расчёты позволили выявить механизм ускорения. Оказалось, что дело в турбулентности плазмы, возникающей при столкновении с препятствием. Не вдаваясь в математические детали, это состояние можно охарактеризовать как "бурление" или "взбаламученность". Наглядное представление о нём дают пороги на горной реке или пенная полоса морского прибоя.

Дело в том, что плазма – это газ из заряженных частиц. Движение зарядов – это электрический ток, который порождает магнитное поле. Но поскольку турбулентная плазма движется хаотично, это магнитное поле всё время меняется. А переменное магнитное поле, как известно, порождает электрическое. Это последнее и разгоняет частицы до нужных энергий. Чтобы придать им такую энергию тепловым путём, потребовалось бы нагреть вещество до миллионов градусов.

При этом значение полученных результатов не ограничиваются исследованием комет. Они могут пригодиться в самых разных областях астрофизики.

Соавтор исследования Боб Бингхэм (Bob Bingham) из Лаборатории Резерфорда – Эплтона, Великобритания, объясняет: "Эти экспериментальные результаты важны, поскольку они дают прямые лабораторные доказательства того, что объекты, движущиеся через намагниченную плазму, могут быть местом ускорения электронов – очень общая ситуация в астрофизике, которая имеет место не только на кометах, но и в магнитосферах планет, таких как наша собственная Земля, или даже в остатках сверхновых, где выброшенное вещество движется сквозь межзвёздный газ. Эксперименты также подтверждают теоретические модели, разработанные командой".

Одна из загадок, на которую проливает свет это исследование, – проблема космических лучей высокой энергии. Астрономы десятилетиями спорят, какой механизм разгоняет эти частицы до огромных энергий. Наиболее перспективной выглядит гипотеза об ударных волнах в плазме, которые передают им свою энергию. Но, чтобы "подзарядиться энергией" от такого источника, частица изначально должна иметь некоторую пороговую скорость. То есть необходим, так сказать, стартовый ускоритель, и требуется объяснить, как он работает. Этот вопрос известен специалистам как проблема инжекции.

Новое исследование предлагает механизм для такого "первичного ускорения" и, возможно, тем самым решает проблему инжекции. А значит, Вселенная становится немного понятнее.