Une équipe de scientifiques de Russie et de Chine a développé un modèle expliquant la nature des rayons cosmiques de haute énergie (RC) dans notre galaxie. Ces CR ont des énergies dépassant d'un ou deux ordres de grandeur celles produites par les explosions de supernova. Le modèle se concentre principalement sur la découverte récente de structures géantes appelées bulles de Fermi.

L'un des problèmes clés de la théorie de l'origine des rayons cosmiques, qui se composent de protons de haute énergie et de noyaux atomiques, est leur mécanisme d'accélération. La question a été abordée par Vitaly Ginzburg et Sergei Syrovatsky dans les années 1960 lorsqu'ils ont suggéré que les CR sont générés lors des explosions de supernova (SN) dans la galaxie. Un mécanisme spécifique d'accélération des particules chargées par les ondes de choc SN a été proposé par Germogen Krymsky et d'autres en 1977. En raison de la durée de vie limitée des chocs, on estime que l'énergie maximale des particules accélérées ne peut excéder 10 ¹⁴ -dix ¹⁵ eV.

Expliquer la nature des particules avec des énergies supérieures à 10 ¹⁵ eV est la clé. Une percée majeure dans la recherche sur les processus d'accélération de telles particules est survenue lorsque le télescope spatial Fermi Gamma Ray a détecté deux structures gigantesques émettant un rayonnement dans la bande des rayons gamma dans la zone centrale de la galaxie en novembre 2010. Les structures sont allongées et symétriquement situées dans le plan galactique perpendiculaire à son centre, extension 50, 000 années-lumière, soit environ la moitié du diamètre du disque de la Voie lactée. Ces structures sont devenues connues sous le nom de bulles de Fermi. Plus tard, l'équipe du télescope Planck a découvert leur émission dans la bande des micro-ondes.

La nature des bulles de Fermi n'est pas encore claire, mais l'emplacement de ces objets indique leur lien avec l'activité passée ou présente au centre de la galaxie, où un trou noir central de 10 ⁶ on pense que les masses solaires sont localisées. Les modèles modernes relient les bulles à la formation d'étoiles et/ou à une libération d'énergie dans le centre galactique à la suite de la perturbation des étoiles par les marées lors de leur accrétion sur un trou noir central. Des structures similaires peuvent être détectées dans d'autres systèmes galactiques avec des noyaux actifs.

Dmitry Chernyshov (diplômé du MIPT), Vladimir Dogiel (membre du personnel du MIPT) et leurs collègues de Hong Kong et de Taïwan ont publié une série d'articles sur la nature des bulles de Fermi. Ils ont montré que l'émission de rayons X et gamma dans ces zones est due à des processus impliquant des électrons relativistes accélérés par des ondes de choc résultant de la chute de matière stellaire dans un trou noir. Dans ce cas, les ondes de choc devraient accélérer à la fois les protons et les noyaux. Cependant, contrairement aux électrons, les protons relativistes avec des masses plus importantes ne perdent pratiquement aucune énergie dans le halo galactique et peuvent remplir tout le volume de la galaxie. Les auteurs de l'article suggèrent que les fronts de choc des bulles géantes de Fermi peuvent réaccélérer les protons émis par SN à des énergies dépassant largement 10 ¹⁵ eV.

L'analyse de la réaccélération des rayons cosmiques a montré que les bulles de Fermi peuvent être responsables de la formation du spectre CR au-dessus du "genou" du spectre observé, c'est à dire., à des énergies supérieures à 3×10 ¹⁵ eV (plage d'énergie "B" sur la Fig. 2). Pour mettre cela en perspective, l'énergie des particules accélérées dans le grand collisionneur de hadrons est également d'environ 10 ¹⁵ eV.

"Le modèle proposé explique la distribution spectrale du flux CR observé. On peut dire que les processus que nous avons décrits sont capables de ré-accélérer les rayons cosmiques galactiques générés dans les explosions de supernova. Contrairement aux électrons, les protons ont une durée de vie significativement plus longue, donc lorsqu'il est accéléré dans les bulles de Fermi, ils peuvent remplir le volume de la galaxie et être observés près de la Terre. Notre modèle suggère que les rayons cosmiques contenant des protons de haute énergie et des noyaux avec une énergie inférieure à 1015 eV (en dessous de la gamme d'énergie du "genou" du spectre observé), ont été générés lors d'explosions de supernova dans le disque galactique. De tels CR sont ré-accélérés dans des bulles de Fermi à des énergies supérieures à 1015 eV (au-dessus du "genou"). La distribution finale des rayons cosmiques est indiquée sur le diagramme spectral, ", dit Vladimir Dogiel.

Les chercheurs ont proposé une explication des particularités du spectre CR dans la gamme d'énergie de 3×10 ¹⁵ à 10 ¹⁸ eV (plage d'énergie "B" sur la Fig. 2). Les scientifiques ont prouvé que les particules produites lors des explosions SN et qui ont des énergies inférieures à 3×10 ¹⁵ Les eV subissent une réaccélération dans les bulles de Fermi lorsqu'elles passent du disque galactique au halo. Des paramètres raisonnables du modèle décrivant l'accélération des particules dans les bulles de Fermi peuvent expliquer la nature du spectre des rayons cosmiques au-dessus de 3×10 ¹⁵ eV. Le spectre au-dessous de cette plage reste intact. Ainsi, le modèle est capable de produire une distribution spectrale des rayons cosmiques identique à celle observée.