З напрямку великої порожнечі у космосі надійшов промінь надзвичайно високої енергії

"Масив телескопів" виявив космічний промінь другої за величиною енергії за всю історію спостережень. Якщо простежити траєкторію частинки до її джерела, то там навряд чи є щось досить високоенергетичне, що могло б її породити.

Про це розповідають в Університеті штату Юта, передають OstanniPodii.com.

У 1991 році експеримент вказаного вишу "Fly′s Eye" виявив найвисокоенергетичніший космічний промінь з тих, що коли-небудь спостерігалися. Енергія космічного променя, названого згодом "частинкою Oh-My-God" (з англ.: "О, боже мій"), вразила астрофізиків. Ніщо в нашій галактиці не могло виробити його, а енергія частинки була більшою, ніж теоретично можливо для космічних променів, що летять до Землі з інших галактик. Простіше кажучи, ця частинка не повинна була існувати.

Відтоді "Масив телескопів" спостерігав понад 30 надвисокоенергетичних космічних променів, але жоден з них не наближається до енергії рівня "Oh-My-God". Поки що не вдалося з′ясувати ні їхнє походження, ні те, як вони дістаються до Землі.

27 травня 2021 р. експеримент "Масив телескопів" виявив другий за величиною екстремально-енергетичний космічний промінь. Енергія цієї єдиної субатомної частинки, що дорівнює 2,4 х 10²⁰ еВ, еквівалентна падінню цегли на палець ноги з висоти пояса. В експерименті, що проводився під керівництвом Університету штату Юта та Токійського університету, використовували систему з 507 наземних детекторів, розташованих у вигляді квадратної сітки на площі 700 км² у Західній пустелі штату Юта, неподалік міста Дельта.

Подія спричинила спрацьовування 23 детекторів у північно-західному районі "Масиву телескопів", розлетівшись на 48 км². Напрямок його приходу, ймовірно, був з Місцевого войду — порожньої області простору, що межує з нашою галактикою Чумацький Шлях.

"Частинки мають настільки високу енергію, що на них не повинні впливати галактичні та позагалактичні магнітні поля. Ви маєте змогу вказати на небі місце, звідки вони приходять", - каже Джон Метьюс, співпредставник "Масиву телескопів" в Університеті штату Юта й співавтор дослідження. "Але у випадку з частинкою Oh-My-God і цією новою частинкою ви простежуєте її траєкторію до джерела й не знаходите нічого досить високоенергетичного, що могло б її породити. У цьому й полягає загадка — що ж, чорт забирай, відбувається?"

У своєму спостереженні, опублікованому в журналі Science, міжнародна група дослідників описала надвисокоенергетичний космічний промінь, оцінила його характеристики й дійшла висновку, що це рідкісне явище може бути наслідком невідомої науці фізики частинок.

Дослідники назвали частинку Аматерасу на честь богині сонця в японській міфології. Частинки Oh-My-God та Аматерасу були виявлені за допомогою різних методів спостереження, що підтверджує реальність рідкісних явищ надвисоких енергій.

"Здається, що ці події відбуваються з абсолютно різних місць на небі. Не схоже, що існує одне загадкове джерело", - каже Джон Белз, професор Університету штату Юта й співавтор дослідження. "Це можуть бути дефекти в структурі простору-часу, зіткнення космічних струн. Я маю на увазі, що я просто вихлюпую божевільні ідеї, які люди вигадують, бо немає загальноприйнятого пояснення".

Природні прискорювачі частинок

Космічні промені — це відгомони бурхливих небесних подій, унаслідок яких матерію було зруйновано до субатомних структур, і вона розлетілася Всесвітом зі швидкістю, близькою до швидкості світла. По суті, космічні промені — це заряджені частинки з широким діапазоном енергій, які складаються з позитивних протонів, негативних електронів або цілих атомних ядер, які проносяться через космос і практично постійно падають на Землю.

Космічні промені потрапляють у верхні шари атмосфери Землі й розривають ядра кисню та азоту, утворюючи безліч вторинних частинок. Вони долають невелику відстань в атмосфері й повторюють процес, утворюючи зливу з мільярдів вторинних частинок, які розсіюються на поверхні Землі. Слід цієї вторинної зливи величезний і вимагає, щоб детектори покривали таку ж велику площу, як і "Масив телескопів". У детекторах на поверхні використовується набір приладів, що дають змогу дослідникам отримати інформацію про кожен космічний промінь: час проходження сигналу показує його траєкторію, а кількість заряджених частинок, які потрапили до кожного детектора, — енергію первинної частинки.

Художня ілюстрація астрономії космічних променів надвисокої енергії для пояснення надзвичайно енергійних явищ на відміну від слабшого космічного променя, на який впливають електромагнітні поля. Credit: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

Оскільки частинки мають заряд, їхня траєкторія польоту нагадує політ кульки в пінбольній машині, коли вони зигзагоподібно рухаються в електромагнітних полях крізь космічний мікрохвильовий фон. Простежити траєкторію більшості космічних променів, що належать до низько- і середньоенергетичного діапазону, практично неможливо. Навіть високоенергетичні космічні промені спотворюються мікрохвильовим фоном. Частинки з енергією Oh-My-God та Аматерасу проносяться через міжгалактичний простір відносно неспотвореними. Їх можуть породити тільки найпотужніші небесні явища.

"Речі, які люди вважають енергійними, наприклад, наднові, не є достатньо енергійними для цього. Потрібна величезна кількість енергії, дуже високі магнітні поля, щоб утримувати частинку, поки вона прискорюється", - каже Метьюз.

Надвисокі енергії космічних променів мають перевищувати 5 х 10¹⁹ еВ. Це означає, що одна субатомна частинка має кінетичну енергію, що дорівнює кінетичній енергії швидкого м′яча пітчера вищої ліги, і в десятки мільйонів разів більшу енергію, ніж може досягти будь-який прискорювач частинок, створений людиною.

Астрофізики розрахували цю теоретичну межу, відому як межа Грейзена-Зацепіна-Кузьміна (ГЗК), як максимальну енергію, яку може утримати протон, подорожуючи на великі відстані, перш ніж ефект взаємодії мікрохвильового фонового випромінювання забере його енергію.

Відомі кандидати в джерела, як-от активні галактичні ядра або чорні діри з акреційними дисками, що випускають струмені частинок, як правило, перебувають на відстані понад 160 млн світлових років від Землі. Енергія нової частинки 2,4 х 10²⁰ еВ і частинки "Oh-My-God" 3,2 х 10²⁰ еВ легко перевищують цю межу.

Дослідники також аналізують склад космічних променів у пошуках підказок про їхнє походження. Важчі частинки, такі як ядра заліза, є важчими, мають більший заряд і більш чутливі до вигину в магнітному полі, ніж легші частинки, що складаються з протонів атома водню. Нова частинка, найімовірніше, є протоном. Згідно з фізикою частинок, космічний промінь з енергією, що перевищує ГЗК-межу, надто потужний, щоб мікрохвильовий фон міг спотворити його траєкторію, однак зворотне простежування його траєкторії вказує на порожній простір.

"Можливо, магнітні поля сильніші, ніж ми думали, але це не узгоджується з іншими спостереженнями, які показують, що вони недостатньо сильні, щоб спричинити значне викривлення за енергії в 10²⁰ електронвольт", - каже Бельц. "Це дійсно загадка".

Розширення зони охоплення

"Масив телескопів" має унікальне розташування для виявлення космічних променів надвисоких енергій. Він розташований на висоті близько 1200 м, тобто на висоті, що дає змогу вторинним частинкам максимально розвинутися, але ще не почати розпадатися. Його розташування в Західній пустелі штату Юта забезпечує ідеальні атмосферні умови у двох відношеннях: сухе повітря має вирішальне значення, оскільки вологість поглинає ультрафіолетове випромінювання, необхідне для виявлення, а темне небо в цьому регіоні вкрай важливе, оскільки світлове забруднення створює занадто сильний шум і затуляє космічні промені.

Астрофізики досі спантеличені цим загадковим явищем. "Масив телескопів" наразі перебуває в процесі розширення, яке, як сподіваються фахівці, допоможе розібратися в цьому питанні. Після завершення будівництва, 500 нових сцинтиляторних детекторів збільшать площу "Масиву телескопів" до 2900 км², що дасть змогу зафіксувати більше подій, які проллють світло на те, що відбувається.