Иллюстрация художника чрезвычайно энергичных космических лучей, наблюдаемых с помощью поверхностной детекторной решетки эксперимента Telescope Array, названной «Частица Аматэрасу». Фото: Столичный университет Осаки/L-INSIGHT, Университет Киото/Рюуносукэ Такэсигэ.
В 1991 году эксперимент «Глаз мухи» Университета Юты обнаружил космические лучи самой высокой энергии, когда-либо наблюдавшиеся. Энергия космических лучей, позже названная частицей «О-Мой-Боже», потрясла астрофизиков. Ничто в нашей галактике не было способно его произвести, а энергия частицы была больше, чем теоретически было возможно для космических лучей, идущих на Землю из других галактик. Проще говоря, частица не должна существовать.
Телескопическая решетка с тех пор наблюдала более 30 космических лучей сверхвысокой энергии, но ни один из них не приблизился к энергии уровня «О-Мой-Боже». Никакие наблюдения пока не выявили их происхождения и того, как они могут путешествовать на Землю.
27 мая 2021 года эксперимент Telescope Array обнаружил второй по величине космический луч экстремальной энергии. Энергия этой единственной субатомной частицы при 2,4 x 1020 эВ эквивалентна 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, покрывающей площадь 700 км2 (~270 миль2) за пределами Дельты, штат Юта. в Западной пустыне штата.
Это событие вызвало срабатывание 23 детекторов в северо-западной части массива телескопов, охватив площадь 48 км2 (18,5 миль2). 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 в У и соавтор исследования. «Но в случае с частицей «О-Мой-Боже» и этой новой частицей вы прослеживаете ее траекторию до источника, и нет ничего достаточно высокоэнергетического, 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 Аматэрасу в честь богини Солнца из японской мифологии. Частицы «О-Мой-Боже» и Аматэрасу 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 и соавтор исследования. «Это могут быть дефекты в структуре пространства-времени, сталкивающиеся космические струны. Я имею в виду, что я просто выплесываю сумасшедшие идеи, которые приходят в голову людям, потому что нет общепринятого объяснения».
Природные ускорители частиц
Космические лучи — это отголоски жестоких 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 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.
Художественная иллюстрация астрономии космических лучей сверхвысокой энергии для выяснения чрезвычайно энергетических явлений в отличие от более слабых космических лучей, на которые воздействуют электромагнитные поля. Фото: Столичный университет Осаки/Университет Киото/Рюуносукэ Такэсигэ.
Поскольку частицы имеют заряд, их траектория полета напоминает 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 «О-Мой-Боже» и «Аматэрасу» проносятся через межгалактическое пространство в относительно разогнутом состоянии. 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 Мэтьюз.
Космические лучи сверхвысокой энергии должны превышать 5 х 1019 эВ. Это означает, что одна субатомная частица несет ту же кинетическую энергию, что и фастбол питчера высшей лиги, и имеет в десятки миллионов раз больше энергии, чем может достичь любой искусственный ускоритель 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 создать значительную кривизну при энергии 1020 электрон-вольт», — сказал Белз. «Это настоящая загадка».
Расширение присутствия
Телескопическая решетка обладает уникальными возможностями для обнаружения космических лучей сверхвысокой энергии. Он расположен на высоте около 1200 м (4000 футов), на высоте, которая обеспечивает максимальное развитие вторичных частиц, но до того, как они начнут распадаться. Его 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. Телескопический массив находится в процессе расширения, которое, как они надеются, поможет раскрыть дело. После завершения строительства 500 новых сцинтилляционных детекторов расширят массив телескопов и будут измерять потоки частиц, индуцированные космическими лучами, на площади 2900 км2 (1100 миль2), площади, почти равной размеру Род-Айленда. Мы надеемся, что больший охват позволит зафиксировать больше событий, которые прольют свет на то, что происходит.
Информация от: Университетом Юты
