Что такое частица Аматэрасу: факты и загадка
Частица Аматэрасу — одно из самых загадочных и экстремальных явлений, когда-либо наблюдавшихся во Вселенной.
Основные характеристики: космический рекордсмен
- Что это: Сверхвысокоэнергетический космический луч — ядро атома (вероятно, протон или легкое ядро), прилетевший из глубин космоса.
- Обнаружение: Зарегистрирована 27 мая 2021 года детекторами эксперимента Telescope Array в пустыне штата Юта, США. Этот эксперимент представляет собой сеть из 507 сцинтилляционных детекторов, расположенных на площади в 700 км², которые улавливают гигантские атмосферные ливни, порождаемые частицей.
- Энергия: Колоссальные ~244 эксаэлектронвольта (ЭэВ). Чтобы представить этот масштаб:
- Это энергия брошенного с силой бейсбольного мяча, сконцентрированная в одной субатомной частице, или энергия падения кирпича с высоты почти двух метров.
- Она примерно в 40 миллионов раз превышает максимальную энергию частиц, достигаемую в Большом адронном коллайдере — самом мощном ускорителе на Земле.
- Это второй по мощности космический луч, когда-либо зафиксированный. Первенство удерживает так называемая частица «О-Боже-Мой» (Oh-My-God particle) с энергией ~320 ЭэВ, обнаруженная в 1991 году.
Загадка происхождения: «Выстрел из пустоты»
Это самая интригующая часть истории. Прилетевшая частица несет информацию о своем направлении. Однако траектория Аматерасу указала на область, которая оказалась космологической пустыней — Местную (Локальную) Пустоту.
- Местная Пустота или Местный войд — это обширный регион пространства диаметром около 150 миллионов световых лет, где почти нет галактик и, следовательно, известных астрофизических «ускорителей»: активных ядер галактик, квазаров, скоплений сверхновых.
- Парадокс: Как в «пустоте», где нет очевидных источников энергии, мог родиться такой невероятно энергичный объект? Это поставило ученых в тупик. Либо наши знания об этой области неполны, либо наши представления о поведении таких частиц в космосе ошибочны.
Как объясняется загадка? Роль магнитных полей и новое исследование
Ключ к разгадке лежит в двух фактах:
- Заряд: Аматэрасу — заряженная частица.
- Магнитные поля: Межгалактическое и галактическое пространство не является абсолютной пустотой; оно пронизано слабыми, но обширными магнитными полями.
- Эффект: Эти магнитные поля отклоняют заряженные частицы, искривляя их траекторию. Чем выше энергия частицы, тем меньше ее отклоняет магнитное поле, но при таких гигантских расстояниях даже небольшое искривление накапливается, и направление прилёта на Землю не указывает прямо на источник. Частица могла «заблудиться» на пути длиной в миллионы или сотни миллионов лет.
Именно это и показало исследование Франчески Капель и Надин Бурриш. Применив новый метод (приближенные байесовские вычисления) и сложное моделирование, они построили карты вероятного происхождения Аматерасу с учетом влияния магнитных полей. Их вывод: источник, скорее всего, находится за пределами Местной Пустоты в более «населенной» космической среде. Главным кандидатом стала близлежащая и астрофизически активная галактика M82 (Сигара), известная своими бурными процессами звездообразования и вспышками сверхновых.
Что это дает для науки?
- Проверка пределов физики: Энергия Аматэрасу близка к теоретическому пределу Грейзена — Зацепина — Кузьмина (GZK), который предсказывает, что такие частицы не должны прилетать к нам из далеких уголков Вселенной, так как они будут терять энергию при взаимодействии с реликтовым излучением. Ее обнаружение говорит о том, что источник находится относительно недалеко по космологическим меркам (в пределах нашей галактической окрестности).
- Поиск природных ускорителей: Изучение таких частиц — это способ обнаружить и исследовать самые мощные «природные коллайдеры» во Вселенной, чья мощность на порядки превосходит человеческие технологии.
- Новая методология: Работа с Аматэрасу продемонстрировала необходимость и эффективность сложного статистического и симуляционного подхода для астрофизики частиц, открывая путь для более точного поиска в будущем.