Из направления большой пустоты в космосе поступил луч чрезвычайно высокой энергии

"Массив телескопов" обнаружил космический луч второй по величине энергии за всю историю наблюдений. Если проследить траекторию частицы до ее источника, то там вряд ли есть что-то достаточно высокоэнергетическое, что могло бы ее породить.

Об этом рассказывают в Университете штата Юта, передают OstanniPodii.com.

В 1991 году эксперимент указанного вуза "Fly′s Eye" обнаружил самый высокоэнергетический космический луч из когда-либо наблюдавшихся. Энергия космического луча, названного впоследствии "частицей Oh-My-God" (с англ.: "О, боже мой"), поразила астрофизиков. Ничто в нашей галактике не могло произвести его, а энергия частицы была большей, чем теоретически возможно для космических лучей, летящих к Земле из других галактик. Проще говоря, эта частица не должна была существовать.

С тех пор "Массив телескопов" наблюдал более 30 сверхвысокоэнергетических космических лучей, но ни один из них не приближается к энергии уровня "Oh-My-God". Пока не удалось выяснить ни их происхождение, ни то, как они добираются до Земли.

27 мая 2021 г. эксперимент "Массив телескопов" обнаружил второй по величине экстремально-энергетический космический луч. Энергия этой единственной субатомной частицы, равная 2,4 х 10²⁰ эВ, эквивалентна падению кирпича на палец ноги с высоты пояса. В эксперименте, который проводился под руководством Университета штата Юта и Токийского университета, использовали систему из 507 наземных детекторов, расположенных в виде квадратной сетки на площади 700 км² в Западной пустыне штата Юта, недалеко от города Дельта.

Событие вызвало срабатывание 23 детекторов в северо-западном районе "Массива телескопов", разлетевшись на 48 км². Направление его прихода, вероятно, было из Местного войда - пустой области пространства, граничащей с нашей галактикой Млечный Путь.

"Частицы имеют настолько высокую энергию, что на них не должны влиять галактические и внегалактические магнитные поля. Вы можете указать на небе место, откуда они приходят", - говорит Джон Мэтьюс, сопредставитель "Массива телескопов" в Университете штата Юта и соавтор исследования. "Но в случае с частицей Oh-My-God и этой новой частицей вы прослеживаете ее траекторию к источнику и не находите ничего достаточно высокоэнергетического, что могло бы ее породить. В этом и заключается загадка — что же, черт возьми, происходит?"

В своем наблюдении, опубликованном в журнале Science, международная группа исследователей описала сверхвысокоэнергетический космический луч, оценила его характеристики и пришла к выводу, что это редкое явление может быть следствием неизвестной науке физики частиц.

Исследователи назвали частицу Аматэрасу в честь богини солнца в японской мифологии. Частицы Oh-My-God и Аматэрасу были обнаружены с помощью различных методов наблюдения, что подтверждает реальность редких явлений сверхвысоких энергий.

"Кажется, что эти события происходят из совершенно разных мест на небе. Не похоже, что существует один загадочный источник", - говорит Джон Белз, профессор Университета штата Юта и соавтор исследования. "Это могут быть дефекты в структуре пространства-времени, столкновения космических струн. Я имею в виду, что я просто выплескиваю безумные идеи, которые люди придумывают, потому что нет общепринятого объяснения".

Естественные ускорители частиц

Космические лучи - это отголоски бурных небесных событий, в результате которых материя была разрушена до субатомных структур и разлетелась по Вселенной со скоростью, близкой к скорости света. По сути, космические лучи — это заряженные частицы с широким диапазоном энергий, состоящие из положительных протонов, отрицательных электронов или целых атомных ядер, которые проносятся через космос и практически постоянно падают на Землю.

Космические лучи попадают в верхние слои атмосферы Земли и разрывают ядра кислорода и азота, образуя множество вторичных частиц. Они преодолевают небольшое расстояние в атмосфере и повторяют процесс, образуя ливень из миллиардов вторичных частиц, которые рассеиваются на поверхности Земли. След этого вторичного ливня огромен и требует, чтобы детекторы покрывали такую же большую площадь, как и "Массив телескопов". В детекторах на поверхности используется набор приборов, позволяющих исследователям получить информацию о каждом космическом луче: время прохождения сигнала показывает его траекторию, а количество заряженных частиц, попавших в каждый детектор, — энергию первичной частицы.

Художественная иллюстрация астрономии космических лучей сверхвысокой энергии для объяснения чрезвычайно энергичных явлений в отличие от более слабого космического луча, на который влияют электромагнитные поля. Credit: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

Поскольку частицы имеют заряд, их траектория полета напоминает полет шарика в пинбольной машине, когда они зигзагообразно движутся в электромагнитных полях сквозь космический микроволновый фон. Проследить траекторию большинства космических лучей, относящихся к низко- и среднеэнергетическому диапазону, практически невозможно. Даже высокоэнергетические космические лучи искажаются микроволновым фоном. Частицы с энергией Oh-My-God и Аматэрасу проносятся через межгалактическое пространство относительно неискаженными. Их могут породить только самые мощные небесные явления.

"Вещи, которые люди считают энергичными, например, сверхновые, не являются достаточно энергичными для этого. Нужно огромное количество энергии, очень высокие магнитные поля, чтобы удерживать частицу, пока она ускоряется", - говорит Мэтьюз.

Сверхвысокие энергии космических лучей должны превышать 5 х 10¹⁹ эВ. Это означает, что одна субатомная частица имеет кинетическую энергию, равную кинетической энергии быстрого мяча питчера высшей лиги, и в десятки миллионов раз большую энергию, чем может достичь любой ускоритель частиц, созданный человеком.

Астрофизики рассчитали этот теоретический предел, известный как предел Грейзена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК), как максимальную энергию, которую может удержать протон, путешествуя на большие расстояния, прежде чем эффект взаимодействия микроволнового фонового излучения заберет его энергию.

Известные кандидаты в источники, такие как активные галактические ядра или черные дыры с аккреционными дисками, выпускающие струи частиц, как правило, находятся на расстоянии более 160 млн световых лет от Земли. Энергия новой частицы 2,4 х 10²⁰ эВ и частицы "Oh-My-God" 3,2 х 10²⁰ эВ легко превышают этот предел.

Исследователи также анализируют состав космических лучей в поисках подсказок об их происхождении. Более тяжелые частицы, такие как ядра железа, являются более тяжелыми, имеют больший заряд и более чувствительны к изгибу в магнитном поле, чем более легкие частицы, состоящие из протонов атома водорода. Новая частица, вероятнее всего, является протоном. Согласно физике частиц, космический луч с энергией, превышающей ГЗК-границу, слишком мощный, чтобы микроволновый фон мог исказить его траекторию, однако обратное прослеживание его траектории указывает на пустое пространство.

"Возможно, магнитные поля сильнее, чем мы думали, но это не согласуется с другими наблюдениями, которые показывают, что они недостаточно сильны, чтобы вызвать значительное искажение при энергии в 10²⁰ электронвольт", - говорит Бельц. "Это действительно загадка".

Расширение зоны охвата

"Массив телескопов" имеет уникальное расположение для обнаружения космических лучей сверхвысоких энергий. Он расположен на высоте около 1200 м, то есть на высоте, позволяющей вторичным частицам максимально развиться, но еще не начать распадаться. Его расположение в Западной пустыне штата Юта обеспечивает идеальные атмосферные условия в двух отношениях: сухой воздух имеет решающее значение, поскольку влажность поглощает ультрафиолетовое излучение, необходимое для обнаружения, а темное небо в этом регионе крайне важно, поскольку световое загрязнение создает слишком сильный шум и заслоняет космические лучи.

Астрофизики до сих пор озадачены этим загадочным явлением. "Массив телескопов" сейчас находится в процессе расширения, которое, как надеются специалисты, поможет разобраться в этом вопросе. После завершения строительства, 500 новых сцинтилляторных детекторов увеличат площадь "Массива телескопов" до 2900 км², что позволит зафиксировать больше событий, которые прольют свет на происходящее.

• космические лучи