На днях была размещена научная статья с описанием результатов изучения космической частицы сверхвысокой энергии, которая прилетела на Землю ещё в мае 2021 года. О важности этого открытия может говорить сам факт, что учёные изучали «пришелицу» два года, да и то выяснили ещё далеко не всё. Интересного много, включая то, что явилась она из пустынной области Вселенной, где нет ничего такого, что могло бы породить Аматэрасу, как назвали частицу. Ну а энергия её эквивалентна падению кирпича на палец ноги с высоты талии взрослого человека. Подробности — под катом.
Откуда вообще берутся высокоэнергетические частицы?
Преимущественно они приходят с космическими лучами, которые представляют собой потоки частиц высоких и сверхвысоких энергий. Источниками их могут быть нейтронные звёзды, гамма-всплески и некоторые другие явления, происходящие в глубинах Вселенной. Лучи состоят из протонов (89%), ядер гелия (10%) и более тяжёлых ядер.
Когда высокоэнергетическая частица попадает на Землю, она сталкивается с ядрами атомов атмосферных газов, в результате чего порождается большое, а иногда и огромное число вторичных частиц. Они попадают на поверхность Земли на определённой площади — чем выше энергия частицы, тем больше она порождает «вторичек» и тем обширнее площадь выпадения.
Учёные уже давно научились отслеживать таких пришельцев как раз путём мониторинга «осадков» частиц. Для этого созданы специальные установки — целые массивы поверхностных детекторов, которые работают в паре с флуоресцентными телескопами. Один из наиболее известных объектов такого рода — Telescope Array. Массив состоит из 507 детекторов, они расставлены на площади в 700 квадратных километров. Ниже — картинка, которая поясняет, как вся эта система работает.
Даже мощные частицы, которые улавливает детектор, затрагивают один, редко пару элементов массива. Но в случае с Аматэрасу дело обстояло иначе.
Никогда такого не было, и вот опять
Дело в том, что чаще всего энергия частиц космических лучей не превышает 10 ГэВ (гигаэлектронвольт). Попадаются и ещё более «заряженные» элементы, с энергией свыше 1 эВ (эксаэлектронвольт). К слову, на самом большом коллайдере, БАК, уровень энергии частиц в миллион раз меньше, чем 1 эВ. Каково же было удивление учёных, когда массив Telescope Array зарегистрировал частицу с энергией примерно 2,44 × 1020 эВ.
На неё среагировало сразу 23 элемента массива, так что изначально учёные подумали о каком-то сбое системы. Но после проверки состояния массива и всей инфраструктуры стало понятно, что дело в очень высоком энергетическом уровне частицы.
И это был не гамма-квант. Скорее всего, протон или ядро атома, что удалось узнать благодаря учёным из Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН. К слову, частицу изучали специалисты из США, Японии, Южной Кореи, Бельгии и России.
Для протонов вычислен теоретический энергетический предел, после которого он не сможет просто лететь по космическому пространству. Он получил название предела Грайзена — Зацепина — Кузьмина. Частицы с более высокой энергией теряют её в результате взаимодействия с реликтовым излучением. Частица же, которая долетела до Земли, ещё не потеряла энергию, а значит образовалась где-то в пределах 50-100 мегапарсек.
«Магнитные поля в галактике и межгалактическом пространстве не должны влиять на частицы с такой высокой энергией. Поэтому у вас должна быть возможность определить точное местоположение их источника на небе. Но в случае частицы Oh-My-God и этой новой частицы вы отслеживаете её траекторию к источнику, а там нет ничего, что может создать частицу с такой энергией», — объяснил Джон Мэтьюс, профессор Университета Юты и представитель Telescope Array.
Обычно «гости» со сверхвысокими энергиями приходили из одной и той же 20-градусной зоны в направлении созвездия Большой Медведицы. Аматэрасу же пришла из другой области.
На рисунке направление источника частицы показано чёрным кругом. Пунктиром — зона «исхода» других частиц.
Кстати, Аматэрасу — вторая частица ультравысокой энергии, зафиксированная учёными. Первая (3 × 1 020 электронвольт) частица была зарегистрирована 15 октября 1991-го на испытательном полигоне Дагвэй в штате Юта с помощью предшественника Telescope Array. Она получила название Oh-My-God.
Что дальше?
Учёным ещё предстоит выяснить, с какими явлениями во Вселенной связаны такие частицы. Пока что есть лишь экзотические гипотезы. «Это могут быть дефекты в структуре пространства-времени, сталкивающиеся космические струны. Вообще я просто навскидку называю безумные идеи, которые приходят людям в голову, потому что нет общепринятого объяснения», — заявил профессор Джон Белз, астрофизик, соавтор исследования.
Некоторые астрономы считают, что частицы сверхвысоких энергий позволят в относительно недалёком будущем узнать о том, что происходит за пределами нашей Галактики. Эти посланцы неведомых процессов откроют окно наблюдения за Вселенной. Для того чтобы улавливать больше частиц, планируется модернизировать массив Telescope Array, увеличив его площадь в четыре раза.
«Регистрация космических лучей предельно высоких энергий даёт возможность вести поиск проявлений новых частиц и взаимодействий в ранее недоступных для исследования областях, — комментирует направление будущих работ главный научный сотрудник отдела теоретической физики ИЯИ РАН, член-корреспондент РАН Сергей Троицкий. — Подобные модели, связанные прежде всего с нейтринным сектором и с сектором тёмной материи, могут решить ряд фундаментальных проблем современной физики».
Сейчас формируется концепция многоканальной астрономии. Учёные считают, что если комбинировать различные данные, включая наблюдения радиоволн, инфракрасных лучей, видимого света, ультрафиолета, рентгеновского и гамма-излучения, нейтрино и гравитационных волн, то наше понимание Вселенной значительно расширится. Возможно, удастся понять причину некоторых явлений, включая образование частиц ультравысоких энергий.
