Дело за малым — за наблюдательным подтверждением. Конечно, речь не может идти о том, чтобы непосредственно наблюдать процесс ускорения. Те частицы, которые мы детектируем на Земле и в её окрестностях, прошли через мясорубку гелиосферной ударной волны, по пути чего-то лишившись и чем-то дополнившись. Но даже изучение космических лучей за пределами гелиосферы не прольёт свет на их источник. Путешествуя по Галактике, заряженные частицы привязаны к силовым линиям магнитного поля, которые имеют весьма запутанную структуру, и потому направление на источник данной частицы в процессе её блуждания по Галактике полностью теряется. Приходится полагаться на косвенные наблюдения. Непрямым индикатором ускорения является нетепловое излучение, которое порождается частицами, разогнанными до релятивистских скоростей, при их взаимодействии с веществом и магнитным полем.
Причины генерации этого излучения различны. В диапазоне от радиоволн до рентгена оно имеет синхротронную природу и порождается релятивистскими электронами. Именно наблюдения синхротронного излучения оболочек сверхновых и стали доказательством того, что, по крайней мере, электроны в них действительно ускоряются до релятивистских скоростей.
Источником излучения высокой энергии в остатках сверхновых могут быть и протоны. Если релятивистский протон, разогнанный ударной волной, сталкивается с другим протоном, например ядром атома водорода межзвёздного газа, в результате столкновения появляется пи-ноль-мезон, распад которого порождает два гамма-кванта с энергиями, примерно равными половине массы пи-мезона (она в энергетических единицах равна 135 МэВ).
Проблема состоит в том, что излучение в гамма-диапазоне частично может порождаться и быстрыми электронами. Это может быть тормозное излучение, для обозначения которого в английском языке почему-то используется немецкое слово Bremsstrahlung, или обратное комптоновское рассеяние, когда релятивистские электроны, взаимодействуя с фотонами (во Вселенной везде есть какие-нибудь фотоны), передают им часть своей энергии и «переводят» в гамма-диапазон. Но электроны, в отличие от протонов, с точки зрения происхождения космических лучей не так интересны; их доля в общем потоке КЛ составляет всего около процента.
Так что наблюдения остатков сверхновых в гамма-диапазоне сами по себе ещё не свидетельствуют о том, что там работает ускоритель именно протонов (и более тяжёлых атомных ядер). Одной из основных задач наблюдателей высокоэнергичного излучения являются поиски доказательств того, что рождающиеся в остатках гамма-кванты имеют не «лептонную» (электронную), а «адронную» природу, то есть порождаются основным компонентом космических лучей. Одним из таких доказательство могут стать признаки распада пионов в спектре гамма-излучения остатка сверхновой.
Авторы статьи, опубликованной в феврале 2013 года журналом Science, уверяют, что им впервые удалось найти эти признаки в гамма-спектрах двух остатков сверхновых, IC 443 и W44, ударные волны которых налетели на молекулярные облака — идеальная ситуация для генерации пионного гамма-излучения.
От космических лучей гамма-излучение выгодно отличается тем, что не петляет по Галактике, а приносит информацию непосредственно из источника. Но наблюдать гамма-лучи тоже нелегко. Маркус Акерманн и его коллеги использовали для наблюдений телескоп LAT, установленный на борту космической обсерватории «Ферми». Теоретически его диапазон простирается от 20 МэВ до 300 ГэВ, однако до недавнего времени чувствительности телескопа к гамма-квантам с энергией ниже 200 МэВ не хватало для наблюдений остатков сверхновых. Точнее, недостаточно совершенной была процедура обработки результатов наблюдений, включающая в себя, в частности, вычисление направления прилёта гамма-квантов и устранение фонового сигнала. Забавно, что существенным источником шума для таких телескопов являются «местные» космические лучи. Получается, что частицы КЛ, ускоренные в остатках сверхновых, долетев до Земли, сами мешают себя изучать.
Правда, даже после усовершенствования процедуры спектр удалось построить только для фотонов с энергиями выше 60 МэВ, так что нужный участок оказался на краю доступного диапазона. Тем не менее, по мнению наблюдателей, в спектре обоих остатков видно резкое снижение количества фотонов с энергиями меньше 200 МэВ, что соответствует почти полному их отсутствию в области энергий ниже тех, что в состоянии породить распадающийся пи-мезон. Это снижение хорошо описывается моделью пионного распада, тогда как модели, в которых гамма-излучение генерируется релятивистскими электронами, такой резкий спад объяснить не в состоянии.