p Uma equipe de cientistas da Rússia e da China desenvolveu um modelo que explica a natureza dos raios cósmicos (CRs) de alta energia em nossa galáxia. Esses CRs têm energias que excedem as produzidas por explosões de supernovas em uma ou duas ordens de magnitude. O modelo se concentra principalmente na recente descoberta de estruturas gigantes chamadas de bolhas de Fermi. p Um dos principais problemas da teoria da origem dos raios cósmicos, que consistem em prótons de alta energia e núcleos atômicos, é o seu mecanismo de aceleração. A questão foi abordada por Vitaly Ginzburg e Sergei Syrovatsky na década de 1960, quando sugeriram que os CRs são gerados durante explosões de supernovas (SN) na galáxia. Um mecanismo específico de aceleração de partículas carregadas por ondas de choque SN foi proposto por Germogen Krymsky e outros em 1977. Devido à vida útil limitada dos choques, estima-se que a energia máxima das partículas aceleradas não pode exceder 10 ¹⁴ -10 ¹⁵ eV.

p Explicando a natureza das partículas com energias acima de 10 ¹⁵ eV é a chave. Um grande avanço na pesquisa dos processos de aceleração de tais partículas veio quando o Telescópio Espacial Fermi de Raios Gama detectou duas estruturas gigantescas que emitem radiação na banda de raios gama na área central da galáxia em novembro de 2010. As estruturas são alongadas e simetricamente localizadas em o plano galáctico perpendicular ao seu centro, estendendo 50, 000 anos-luz, ou aproximadamente metade do diâmetro do disco da Via Láctea. Essas estruturas ficaram conhecidas como bolhas de Fermi. Mais tarde, a equipe do telescópio Planck descobriu sua emissão na faixa de microondas.

p A natureza das bolhas de Fermi ainda não está clara, mas a localização desses objetos indica sua conexão com a atividade passada ou presente no centro da galáxia, onde um buraco negro central de 10 ⁶ acredita-se que as massas solares estejam localizadas. Modelos modernos relacionam as bolhas com a formação de estrelas e / ou uma liberação de energia no centro da galáxia como resultado da interrupção da maré de estrelas durante sua acumulação em um buraco negro central. Estruturas semelhantes podem ser detectadas em outros sistemas galácticos com núcleos ativos.

p Dmitry Chernyshov (graduado do MIPT), Vladimir Dogiel (membro da equipe do MIPT) e seus colegas de Hong Kong e Taiwan publicaram uma série de artigos sobre a natureza das bolhas Fermi. Eles mostraram que a emissão de raios X e gama nessas áreas é devido a processos envolvendo elétrons relativísticos acelerados por ondas de choque resultantes da queda de matéria estelar em um buraco negro. Nesse caso, as ondas de choque devem acelerar tanto os prótons quanto os núcleos. Contudo, em contraste com os elétrons, prótons relativísticos com massas maiores dificilmente perdem energia no halo galáctico e podem preencher todo o volume da galáxia. Os autores do artigo sugerem que frentes de choque de bolha gigante de Fermi podem reacelerar prótons emitidos por SN para energias muito superiores a 10 ¹⁵ eV.

p A análise da reaceleração dos raios cósmicos mostrou que as bolhas de Fermi podem ser responsáveis ​​pela formação do espectro CR acima do "joelho" do espectro observado, ou seja, em energias maiores que 3 × 10 ¹⁵ eV (faixa de energia "B" na Fig. 2). Para colocar isso em perspectiva, a energia das partículas aceleradas no Grande Colisor de Hádrons também é ~ 10 ¹⁵ eV.

p "O modelo proposto explica a distribuição espectral do fluxo CR observado. Pode-se dizer que os processos que descrevemos são capazes de reacelerar os raios cósmicos galácticos gerados em explosões de supernova. Ao contrário dos elétrons, prótons têm uma vida útil significativamente maior, então, quando acelerado em bolhas de Fermi, eles podem preencher o volume da galáxia e ser observados perto da Terra. Nosso modelo sugere que os raios cósmicos contendo prótons e núcleos de alta energia com energia inferior a 1015 eV (abaixo da faixa de energia do "joelho" do espectro observado), foram gerados em explosões de supernova no disco galáctico. Esses CRs são reacelerados em bolhas de Fermi para energias acima de 1015 eV (acima do "joelho"). A distribuição final dos raios cósmicos é mostrada no diagrama espectral, "diz Vladimir Dogiel.

p Os pesquisadores propuseram uma explicação para as peculiaridades do espectro CR na faixa de energia de 3 × 10 ¹⁵ a 10 ¹⁸ eV (faixa de energia "B" na Fig. 2). Os cientistas provaram que partículas produzidas durante as explosões SN e que têm energias inferiores a 3 × 10 ¹⁵ eV experimentam reaceleração em bolhas de Fermi quando se movem do disco galáctico para o halo. Parâmetros razoáveis ​​do modelo que descreve a aceleração das partículas em bolhas de Fermi podem explicar a natureza do espectro de raios cósmicos acima de 3 × 10 ¹⁵ eV. O espectro abaixo desta faixa permanece inalterado. Assim, o modelo é capaz de produzir distribuição espectral de raios cósmicos idêntica à observada.