Сверхтяжелые ядра объясняют происхождение высокоэнергетических космических лучей

Исследователи из Университета Пенсильваниb под руководством профессора Коты Мурасе в сотрудничестве с японским Институтом теоретической физики Юкавы и Вирджинским политехническим университетом предложили новое объяснение природе сверхвысокоэнергетических космических лучей. Ученые обнаружили, что самые экстремальные частицы, такие как знаменитая «частица Аматерасу», могут состоять из атомных ядер, которые тяжелее железа, что позволяет им преодолевать межгалактические расстояния с минимальными потерями энергии. Результаты этого исследования были опубликованы в авторитетном научном журнале Physical Review Letters.

Тайна происхождения самых энергичных частиц во Вселенной, которые регистрируются на Земле, продолжает волновать физиков уже более шести десятилетий. Эти космические лучи обладают энергией, в десятки миллионов раз превосходящей возможности Большого адронного коллайдера. Например, загадочная частица, названная в честь японской богини солнца Аматерасу и зафиксированная телескопическим массивом в штате Юта в 2021 году, несла энергию около 240 эксаэлектронвольт.

Для сравнения, это сопоставимо с кинетической энергией теннисного мяча на быстром подаче, но сконцентрированной всего в одной субатомной частице. Еще более удивительно то, что траектория прилета Аматерасу указывала на пустую область космоса, где нет очевидных мощных источников, таких как коллапсирующие или нейтронные звезды, что ставит под сомнение привычные теории об их происхождении.

Новое исследование предлагает элегантное решение этой загадки. Ученые провели детальное компьютерное моделирование того, как частицы разной массы ведут себя при путешествии через межгалактическое пространство. Оказалось, что сверхтяжелые атомные ядра, состоящие из большого числа протонов и нейтронов, значительно превышающих массу железа, теряют энергию гораздо медленнее, чем легкие ядра или отдельные протоны.

Благодаря этому свойству они способны добраться до Земли из гораздо более далеких и труднодоступных областей космоса, сохраняя при этом свою сверхвысокую энергию. Таким образом, частица Аматерасу могла прилететь из такого далекого и тусклого источника, который просто не виден в текущих обзорах неба как яркая точка, или ее направление было слегка искажено магнитными полями в процессе путешествия.

Авторы работы не утверждают, что абсолютно все сверхвысокоэнергетические космические лучи являются сверхтяжелыми ядрами. Однако если самые рекордные события действительно связаны с ними, это кардинально меняет подход к поиску их источников. Наиболее правдоподобными космическими фабриками для производства таких тяжелых частиц ученые считают катастрофические явления, сопровождающиеся образованием черных дыр или сильно намагниченных нейтронных звезд. К ним относятся взрывная гибель массивных звезд (коллапсары), а также слияния двойных нейтронных звезд, которые, кстати, также порождают гравитационные волны и мощные гамма-всплески, одни из самых ярких взрывов во Вселенной.

В краткосрочной перспективе эти выводы помогают объяснить, почему в спектре космических лучей наблюдаются различия между северным и южным полушариями неба. Если сверхтяжелые ядра вносят значительный вклад в самые высокие энергии, то по мере накопления данных будущие эксперименты должны показать, что состав частиц на этих энергиях становится более тяжелым, чем железо.

Проверить это предсказание смогут обсерватории нового поколения, такие как модернизированная установка AugerPrime в Аргентине или предложенная Глобальная обсерватория космических лучей (Global Cosmic Ray Observatory). Дальнейшие теоретические исследования космических катаклизмов с участием черных дыр и нейтронных звезд помогут окончательно прояснить, где именно рождаются эти невероятные вестники далеких вселенских катастроф.

В результате ученые показали, что сверхтяжелые атомные ядра, тяжелее железа, теряют энергию медленнее при движении в космосе, чем легкие частицы. Это открытие предлагает объяснение, почему такие экстремальные объекты, как частица Аматерасу, могут достигать Земли из областей без видимых источников. Если эта гипотеза верна, то самые мощные космические лучи рождаются в грандиозных звездных катаклизмах (коллапсах и слияниях нейтронных звезд), а будущие детекторы должны будут фиксировать все более тяжелый состав частиц на предельно высоких энергиях.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях