Обнаружены чрезвычайно энергичные космические лучи, но без очевидного источника

В 1991 году эксперимент «Глаз мухи» обнаружил космические лучи самой высокой энергии, когда-либо наблюдавшиеся. Энергия космических лучей, позже названная частицей «Oh-My-God» (о-мой-бог), потрясла астрофизиков. Ничто в нашей галактике не было способно ее произвести, а энергия частицы была больше, чем теоретически было возможно для космических лучей, идущих на Землю из других галактик. Проще говоря, такая частица не должна была существовать.

Эксперимент Telescope Array Project с тех пор наблюдал более 30 космических лучей сверхвысокой энергии, но ни один из них не приблизился к энергии уровня «Oh-My-God». Никакие наблюдения пока не выявили их происхождения и того, как они могут путешествовать к Земле.

27 мая 2021 года эксперимент Telescope Array обнаружил второй по величине космический луч экстремальной энергии. Энергия этой единственной субатомной частицы была 2,4 x 10²⁰ эВ, что эквивалентно падению кирпича на палец ноги с высоты талии. В эксперименте, проводимом Университетом Юты (U) и Токийским университетом, использовалась Телескопическая решетка, состоящая из 507 наземных детекторных станций, расположенных в виде квадратной сетки, охватывающей 700 км² в Западной пустыне штата Юта.

Это событие вызвало срабатывание 23 детекторов в северо-западной части массива телескопов, охватив площадь 48 км². Направление его прибытия, по-видимому, было из Местной Пустоты, пустой области космоса, граничащей с галактикой Млечный Путь.

«Частицы имеют такую ​​высокую энергию, что на них не должны влиять галактические и внегалактические магнитные поля. Вы должны иметь возможность указать, откуда они берутся в небе», — сказал Джон Мэтьюз, со-представитель Telescope Array и соавтор исследования. «Но в случае с частицей «Oh-My-God» и этой новой частицей вы прослеживаете ее траекторию до источника, и там нет ничего с достаточно высокой энергией, чтобы ее создать. В этом и загадка — что, черт возьми, происходит?»

В своих наблюдениях, опубликованных в журнале Science, международная группа исследователей описывает космические лучи сверхвысокой энергии, оценивает их характеристики и приходит к выводу, что редкие явления могут следовать неизвестной науке физике элементарных частиц.

Исследователи назвали ее частицей Amaterasu (Аматэрасу) в честь богини Солнца из японской мифологии. Частицы «Oh-My-God» и «Amaterasu» были обнаружены с использованием различных методов наблюдения, подтвердив, что эти события сверхвысокой энергии, хотя и редки, но реальны.

«Кажется, что эти события происходят из совершенно разных мест на небе. Не похоже, что существует какой-то один загадочный источник», — сказал Джон Белз, профессор Университета Юты и соавтор исследования. «Это могут быть дефекты в структуре пространства-времени, сталкивающиеся космические струны. Я имею в виду, что я просто предлагаю сумасшедшие идеи, которые приходят в голову людям, потому что нет никакого общепринятого объяснения».

Природные ускорители частиц

Космические лучи — это отголоски небесных событий, которые разделили материю до субатомных структур и пронесли ее через Вселенную почти со скоростью света. По сути, космические лучи — это заряженные частицы с широким диапазоном энергий, состоящие из положительных протонов, отрицательных электронов или целых атомных ядер, которые путешествуют через космос и почти постоянно падают на Землю.

Космические лучи попадают в верхние слои атмосферы Земли и разрывают атомные ядра кислорода и азота, порождая множество вторичных частиц. Они проходят небольшое расстояние в атмосфере и повторяют процесс, образуя поток миллиардов вторичных частиц, которые разлетаются на поверхность.

Зона воздействия этого вторичного потока огромна и требует, чтобы детекторы покрывали площадь, равную площади массива телескопов. Наземные детекторы используют набор приборов, которые дают исследователям информацию о каждом космическом луче; время сигнала показывает его траекторию, а количество заряженных частиц, попадающих в каждый детектор, показывает энергию первичной частицы.

Поскольку частицы имеют заряд, их траектория полета напоминает полет мяч в автомате для игры в пинбол, когда они зигзагообразно двигаются против электромагнитных полей в космическом микроволновом фоне. Практически невозможно отследить траекторию большинства космических лучей, которые лежат на нижнем и среднем конце энергетического спектра. Даже космические лучи высокой энергии искажаются микроволновым фоном. Частицы с энергией «Oh-My-God» и «Amaterasu» проносятся через межгалактическое пространство по относительно прямой траектории. Только самые мощные небесные события могут произвести их.

«Вещи, которые люди считают энергичными, например сверхновая, далеко не достаточно энергичны для этого. Вам нужны огромные количества энергии, действительно сильные магнитные поля, чтобы удерживать частицу, пока она ускоряется», — сказал Джон Мэтьюз.

Космические лучи сверхвысокой энергии должны превышать 5 х 10¹⁹ эВ. Это означает, что одна субатомная частица несет ту же кинетическую энергию, что и сильная подача пинчера в бейсболе, и имеет в десятки миллионов раз больше энергии, чем может достичь на любом искусственном ускорителе частиц.

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

Известные кандидаты в источники, такие как активные ядра галактик или черные дыры с аккреционными дисками, испускающими струи частиц, обычно находятся на расстоянии более 160 миллионов световых лет от Земли. 2,4 x 10²⁰ эВ новой частицы и 3,2 x 10²⁰ эВ частицы Oh-My-God легко превосходят пороговое значение.

Исследователи также анализируют состав космических лучей, чтобы понять их происхождение. Более тяжелые частицы, такие как ядра железа, тяжелее, имеют больший заряд и более подвержены изгибу в магнитном поле, чем более легкие частицы, состоящие из протонов атома водорода.

Новая частица, вероятно, является протоном. Физика элементарных частиц подсказывает, что космический луч с энергией, превышающей порог ГЗК, слишком мощный, чтобы микроволновый фон мог исказить его путь, но его траектория возвращается в 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 искривление при этих энергиях 10-20 электрон-вольт», — сказал Джон Белз. «Это настоящая загадка».

Расширение возможностей

Обсерватория «Telescope Array» обладает уникальными возможностями для обнаружения космических лучей сверхвысокой энергии. Она расположен на высоте около 1 200 метров, которая обеспечивает максимальное развитие вторичных частиц, но до того, как они начнут распадаться.

Ее расположение в Западной пустыне штата Юта обеспечивает идеальные атмосферные условия по двум причинам: сухой воздух имеет решающее значение, поскольку влажность поглощает ультрафиолетовый свет, необходимый для обнаружения; и темное небо в регионе имеет важное значение, поскольку световое загрязнение создаст слишком много шума и затмит космические лучи.

Астрофизики до сих пор озадачены загадочным явлением. «Telescope Array» находится в процессе расширения, которое, как они надеются, поможет раскрыть тайну.

После завершения строительства 500 новых сцинтилляционных детекторов расширят массив телескопов и будут измерять потоки частиц, индуцированные космическими лучами, на площади 2900 км². Ученые надеются, что больший охват позволит зафиксировать больше событий, которые прольют свет на то, что происходит.