«О Боже мой», — должно быть, сказал кто-то в 1991 году, когда исследователи обнаружили самый энергичный космический луч, когда-либо ударявший о Землю. Эти три слова были приняты в качестве названия явления: частица «О-Мой-Боже». Откуда это?
Какое-то неизвестное, чрезвычайно мощное событие в космосе отправило эту единственную частицу на Землю как сигнал о своем появлении.
Никто не знает, откуда он взялся и что это был за тип частицы «О-Мой-Боже». Космические лучи обычно представляют собой протоны; чем бы ни была эта частица, она была необычайно энергичной. У него было в 40 миллионов раз больше энергии, чем у всего, что ученые запустили в любой ускоритель частиц: около 320 миллионов ТэВ (тераэлектронвольт).
Глаз мухи из Университета Юты обнаружил частицу «О-Мой-Боже» (OMGP). Тот же объект обнаружил еще много космических лучей, но ни одно из них не приблизилось к энергии OMGP. Теперь исследователи обнаружили еще один сверхэнергетический космический луч. Он был обнаружен с помощью проекта Telescope Array Project, еще одного детектора космических лучей сверхвысокой энергии, также расположенного в Юте и преемника Fly’s Eye.
Обнаружение представлено в новом исследовании, опубликованном в журнале Science. Исследовательская статья называется «Чрезвычайно энергетические космические лучи, наблюдаемые с помощью поверхностной детекторной установки». Джон Мэтьюз — со-представитель Telescope Array в Университете Юты и соавтор исследования.
«Я просто выплесываю сумасшедшие идеи, которые приходят в голову людям, потому что у них нет общепринятого объяснения».
Джон Белз, соавтор исследования и профессор Университета Юты
Вот что происходит с космическими лучами и как ученые их наблюдают.
Где-то в космосе событие высокой энергии, такое как сверхновая, высвобождает частицы с чрезвычайно высокими энергиями. Частицами обычно являются протоны, и они движутся со скоростью, приближающейся к скорости света. Когда они ударяются о атмосферу Земли, они производят ливни вторичных частиц. Частицы могут быть обнаружены непосредственно спутниками или высотными шарами-зондами или косвенно наземными станциями, которые измеряют вторичные частицы, образующиеся в ливне.
Космические лучи и их потоки чем-то напоминают то, что происходит в ускорителе частиц. А вот энергия космических лучей зашкаливает. В то время как Большой адронный коллайдер может производить протоны с энергией 14 ТэВ, OMGP в 40 миллионов раз мощнее.
Это последнее обнаружение является вторым по величине космическим лучом, когда-либо обнаруженным, и было обнаружено в мае 2021 года. У этого единственного протона было столько же энергии, сколько у падения кирпича на ногу с высоты талии: 240 экза-электронвольт. Он не конкурирует с OMGP, но его энергия более чем в миллион раз превышает энергию всего, что могут генерировать наши ускорители частиц.
«Направление его прибытия указывает на пустоту в крупномасштабном
структура Вселенной».Из «Чрезвычайно энергичного космического луча, наблюдаемого
массив поверхностных детекторов»
Самое загадочное в этих частицах высокой энергии — их источник. Хотя источником некоторых из них могут быть сверхновые, существует неуверенность в том, что какие-либо сверхновые на самом деле достаточно мощны, чтобы произвести самые энергичные из них. Самые энергичные космические частицы движутся так быстро и с такой энергией, что ничто не может повлиять на их траекторию, даже магнитные поля. Таким образом, ученые должны иметь возможность оглянуться назад, на свой путь, прямо к их источнику. Но это выглядит так, будто оно пришло из пустоты. «Направление его прибытия указывает на пустоту в крупномасштабной структуре Вселенной», — пишут авторы в своей статье.
«Частицы имеют настолько высокую энергию, что на них не должны влиять галактические и внегалактические магнитные поля. Вы должны быть в состоянии указать, откуда они берутся в небе», — сказал Джон Мэтьюз, соавтор исследования. «Но в случае с частицей «О-Мой-Боже» и этой новой частицей вы прослеживаете ее траекторию до источника, и нет ничего, что было бы достаточно высокоэнергетическим, чтобы произвести ее. Вот в чем загадка — что, черт возьми, происходит?»
На этом рисунке из исследования показаны направления прибытия (пустые кружки) всех космических лучей с >100 ЭэВ, наблюдавшихся телескопической решеткой за 13,5 лет работы. Они разбросаны по небу, и никакой группировки вокруг события с наивысшей энергией (толстый круг) не наблюдается. «Хотя мы могли ожидать, что события с энергиями выше 100 ЭэВ будут кластеризованы, наблюдаемые направления прихода выше 100 ЭэВ имеют изотропное распределение», — объясняют авторы. Изображение предоставлено: Telescope Array.orgЧем бы они ни были, создаваемые ими потоки частиц покрывают обширную территорию. Чтобы измерить один из таких ливней, требуется набор детекторов. Проект Telescope Array состоит из трех телескопов-детекторов и сопутствующего оборудования. Телескопы расположены на расстоянии 35 км друг от друга.
Новая частица, названная частицей Аматэрасу в честь богини Солнца в японской мифологии, до сих пор не объяснена. Но оно было обнаружено с помощью другого метода, отличного от метода, используемого для обнаружения частицы «О-Мой-Боже». Это помогает подтвердить, что эти частицы действительно реальны.
«Кажется, что эти события происходят из совершенно разных мест неба. 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 выплевываю сумасшедшие идеи, которые приходят в голову людям, потому что у них нет общепринятого объяснения».
Для чего-то, что постоянно бомбардирует Землю, в наших знаниях о космических лучах существуют огромные пробелы. Во Вселенной происходит что-то жестокое, лишающее материю ее субатомной структуры и отправляющее частицы в космос. Частицами могут быть положительные протоны, отрицательные электроны или полные атомные ядра.
Сверхновая — одно из самых катастрофических и взрывоопасных природных явлений, о которых мы знаем. Но даже они недостаточно сильны, чтобы создать Аматэрасу.
«То, что люди считают энергичными, например, сверхновые, на самом деле далеко не достаточно энергично для этого. Вам нужно огромное количество энергии и действительно сильные магнитные поля, чтобы удержать частицу во время ее ускорения», — сказал Мэтьюз. Сверхновые могут производить космические лучи с более низкими энергиями, но не такие чудовищно энергичные, как Аматэрасу и частица «О-Мой-Боже».
Почему Аматэрасу не указывает на его источник? Исследователи ломают голову, пытаясь найти ответ. Могут ли магнитные поля оказаться сильнее, чем предполагалось, и могут ли они изменить траектории космических лучей сверхвысокой энергии (UHERC)?
«Может быть, магнитные поля сильнее, чем мы думали, но это не согласуется с другими наблюдениями, которые показывают, что они недостаточно сильны, чтобы создать значительную кривизну при энергиях от десяти до двадцатых электрон-вольт», — сказал Белз. «Это настоящая загадка».
«Направление прибытия этого события не совпадает ни с одним известным астрономическим объектом, который считается потенциальным источником UHECR, даже после учета отклонения ГМП (галактическим магнитным полем) при различных предположениях», — пишут авторы в заключении своей статьи. .
Как и во многих других областях астрономии и астрофизики, более совершенные детекторы могут привести к ответу. Телескопическая решетка расширяется и охватит территорию размером почти с Род-Айленд. Учитывая столь желанную большую выборку, большее количество обнаружений может приблизить нас к ответу.
