Космическая карта частиц сверхвысокой энергии указывает на давно скрытые сокровища.

Сверхвысокоэнергетические космические лучи, петляя и изгибаясь на пути к Земле, сделали практически невозможным идентификацию колоссальных монстров, которые их создают. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

В 1930-х годах французский физик Пьер Оже разместил счетчики Гейгера вдоль альпийского хребта и заметил, что они иногда спонтанно щелкали одновременно, даже находясь на расстоянии до 300 метров друг от друга. Он знал, что совпадающие щелчки исходят от космических лучей — заряженных частиц из космоса, которые сталкиваются с молекулами воздуха в атмосфере, вызывая ливни частиц, падающие на землю. Но Оже понимал, что для того, чтобы космические лучи вызывали такие огромные ливни, которые он наблюдал, они должны нести фантастическое количество энергии — настолько большое, что, как он писал в 1939 году, «на самом деле невозможно представить себе отдельный процесс, способный передать частице такую энергию».

Создав более крупные массивы счетчиков Гейгера и других типов детекторов, физики выяснили, что космические лучи достигают энергии как минимум в 100 000 раз большей, чем предполагал детектор Оже.

Космический луч — это всего лишь атомное ядро — протон или скопление протонов и нейтронов. Однако редкие так называемые «сверхвысокоэнергетические» космические лучи обладают энергией, сравнимой с энергией профессионально поданных теннисных мячей. Они в миллионы раз энергичнее протонов, которые мчатся по круговому туннелю Большого адронного коллайдера в Европе со скоростью 99,9999991% от скорости света. Фактически, самый энергичный из когда-либо обнаруженных космических лучей, получивший прозвище «частица О Боже», появился в 1991 году, двигаясь со скоростью примерно 99,9999999999999999999951% от скорости света, что примерно соответствует энергии шара для боулинга, упавшего с высоты плеча на палец ноги. «Чтобы разогнать протоны до наблюдаемых нами энергий, вам пришлось бы построить коллайдер размером с орбиту планеты Меркурий», — сказал Ральф Энгель, астрофизик из Карлсруэского технологического института в Германии и соруководитель крупнейшей в мире обсерватории космических лучей, обсерватории Пьера Оже в Аргентине.

Вопрос в том: что именно в космосе вызывает это ускорение?

Сейчас считается, что взрывы сверхновых способны производить поразительно мощные космические лучи, которые впервые наблюдались телескопом Auger 82 года назад. Сверхновые никак не могут производить гораздо более удивительные частицы, которые были обнаружены с тех пор. Происхождение этих сверхвысокоэнергетических космических лучей остается неясным. Но ряд недавних достижений значительно сузил круг поиска.

В 2017 году обсерватория Auger объявила о крупном открытии. Благодаря 1600 детекторам частиц и 27 телескопам, расположенным на участке аргентинской прерии размером с Род-Айленд, обсерватория за предыдущие 13 лет зарегистрировала ливни из сотен тысяч сверхвысокоэнергетических космических лучей. Команда сообщила, что на 6% больше лучей исходит из одной половины неба, чем из другой — это первая однозначно обнаруженная закономерность в направлениях прихода космических лучей.

Недавно три теоретика из Нью-Йоркского университета предложили элегантное объяснение дисбаланса, которое эксперты считают весьма убедительным. В новой статье Чен Дина, Ноэми Глобус и Гленнис Фаррар подразумевается, что сверхмощные ускорители космических лучей, с точки зрения космической физики, повсеместны, а не редки.

Обсерватория Оже и телескопическая сеть в штате Юта также обнаружили более мелкие и едва заметные «горячие точки» космических лучей на небе — предположительно, места расположения близлежащих источников. Некоторые объекты-кандидаты находятся в нужных местах.

Появились новые подсказки в виде сверхэнергетических нейтрино, которые образуются под воздействием космических лучей сверхвысокой энергии. В совокупности недавние открытия сфокусировали поиски сверхмощных ускорителей Вселенной на трех основных претендентах. Сейчас теоретики заняты моделированием этих астрофизических объектов, чтобы выяснить, действительно ли они способны выбрасывать достаточно быстрые частицы в нашу сторону, и если да, то как.

Эти предположения совершенно новые и не подкреплены никакими данными. «Если вы погрузитесь в мир высоких энергий, то увидите совершенно неизведанные места, — сказал Энгель. — Вы окажетесь там, где всё кажется пустым».

Тонкий дисбаланс

Чтобы понять, что порождает космические лучи сверхвысокой энергии, первым шагом является определение их источника. Проблема в том, что, поскольку частицы имеют электрический заряд, они движутся здесь не по прямым линиям; их траектории изгибаются при прохождении через магнитные поля.

Более того, частицы сверхвысокой энергии встречаются редко, попадая на каждый квадратный километр земного неба лишь примерно раз в год. Выявление какой-либо закономерности в направлениях их прибытия требует выявления тонких статистических дисбалансов в огромном массиве данных.

Никто не знал, сколько данных потребуется, прежде чем начнут проявляться закономерности. Физики десятилетиями создавали всё более крупные массивы детекторов, не видя даже намёка на закономерность. Затем, в начале 1990-х годов, шотландский астрофизик Алан Уотсон и американский физик Джим Кронин решили пойти в действительно масштабном направлении. Они приступили к созданию обсерватории Оже площадью 3000 квадратных километров.

Наконец, этого оказалось достаточно. Когда в 2017 году команда Auger сообщила в журнале Science об обнаружении 6-процентного дисбаланса между двумя половинами неба — когда избыток частиц из одного направления плавно переходил в дефицит, сосредоточенный в противоположном направлении, — «это было невероятно захватывающе», — сказал Уотсон. «Я работаю в этой области очень, очень давно» — с 1960-х годов — «и это первый случай, когда мы обнаружили анизотропию».

Но данные также вызывали недоумение. Направление избытка космических лучей находилось далеко от центра галактики Млечный Путь, что подтверждало давнюю гипотезу о том, что сверхвысокоэнергетические космические лучи приходят из-за пределов галактики. Но оно также не было связано ни с чем конкретным. Оно не соответствовало местоположению какого-либо мощного астрофизического объекта, например, сверхмассивной черной дыры в соседней галактике. Это не было скопление Девы, плотное близлежащее скопление галактик. Это было просто тусклое, темное пятно рядом с созвездием Большого Пса.

Ноэми Глобус, тогда ещё научный сотрудник Еврейского университета в Иерусалиме, сразу же нашла способ объяснить эту закономерность. Она начала с упрощения: каждая частица материи во Вселенной имеет равную вероятность произвести небольшое количество сверхвысокоэнергетических космических лучей. Затем она построила карту, как эти космические лучи будут слегка искривляться, исходя из близлежащих галактик, групп галактик и скоплений — в совокупности известных как крупномасштабная структура космоса — и перемещаясь сюда через слабые магнитные поля межгалактического пространства. Естественно, её воображаемая карта представляла собой лишь размытое изображение самой крупномасштабной структуры, причём наибольшая концентрация космических лучей исходила из созвездия Девы.

Избыток космических лучей, который она обнаружила, находился не в том месте, чтобы объяснить данные Оже, но она считала, что знает причину: потому что она не учла должным образом магнитное поле Млечного пути. В 2019 году Глобус переехала в Нью-Йоркский университет, чтобы работать с астрофизиком Гленнис Фаррар, чья модель магнитного поля Млечного пути 2012 года, разработанная вместе с ее тогдашним аспирантом Ронни Янссоном, остается передовой. Хотя никто еще не понимает, почему магнитное поле галактики имеет именно такую форму, Фаррар и Янссон определили его геометрию на основе 40 000 измерений поляризованного света. Они установили, что линии магнитного поля изгибаются как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки вдоль спиральных рукавов галактики и исходят вертикально из галактического диска, закручиваясь по мере подъема.

Аспирант Фаррара, Чен Дин, написал код, который уточнил карту сверхвысокоэнергетических космических лучей, исходящих от крупномасштабной структуры галактики, полученную с помощью Globus, а затем пропустил эти данные через искажающую линзу галактического магнитного поля, смоделированного Фарраром и Янссоном. «И, о чудо, мы получаем это замечательное совпадение с наблюдениями», — сказал Фаррар.

Космические лучи, исходящие из созвездия Девы, искривляются в закрученных силовых линиях галактики, так что они попадают на нас со стороны Большого Пса, где телескоп Auger наблюдает центр их избытка. Исследователи проанализировали, как изменится результирующая картина для космических лучей с разной энергией. Они неизменно обнаруживали близкое соответствие с различными подмножествами данных телескопа Auger.

«Непрерывная модель» происхождения сверхвысокоэнергетических космических лучей, предложенная исследователями, является упрощением — не каждый объект материи излучает сверхвысокоэнергетические космические лучи. Однако ее поразительный успех показывает, что реальные источники лучей многочисленны и равномерно распределены по всей материи, отслеживая ее крупномасштабную структуру. Исследование, которое будет опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Letters, получило широкое признание. «Это действительно фантастический шаг», — сказал Уотсон.

Сразу же выросли цены на некоторые акции: в частности, на три типа объектов-кандидатов, которые находятся на грани между относительной распространенностью во Вселенной и потенциальной уникальностью, способной породить частицы, вызывающие возгласы «О боже!».

Звезды Икара

В 2008 году Фаррар и его соавтор предположили, что катаклизмы, называемые приливными разрушительными событиями (ПРС), могут быть источником космических лучей сверхвысокой энергии.

Приливное разрушение происходит, когда звезда, подобно Икару, притягивает сверхмассивную чёрную дыру. Передняя часть звезды испытывает гораздо большую гравитацию, чем задняя, в результате чего звезда разрывается на части и уносится в бездну. Это вращение длится около года. В течение этого времени из чёрной дыры в противоположных направлениях вылетают два потока вещества — субатомные фрагменты разрушенной звезды. Ударные волны и магнитные поля в этих пучках могут затем совместно ускорять ядра до сверхвысоких энергий, прежде чем выбросить их в космос.

События приливного разрушения происходят примерно раз в 100 000 лет в каждой галактике, что является космологическим эквивалентом происходящего повсюду и постоянно. Поскольку галактики отражают распределение материи, события приливного разрушения могут объяснить успех непрерывной модели Динга, Глобуса и Фаррара.

Более того, относительно короткая вспышка приливного землетрясения (ПЗ) решает и другие загадки. К тому времени, когда космический луч от ПЗ достигает нас, это место уже давно неактивно. Другие космические лучи от того же ПЗ могут двигаться по отдельным искривленным траекториям; некоторые могут не достигать нас столетиями. Кратковременный характер ПЗ может объяснить, почему в направлениях прибытия космических лучей так мало закономерностей, и нет сильных корреляций с положениями известных объектов. «Сейчас я склонен полагать, что это в основном кратковременные явления», — сказал Фаррар о происхождении лучей.

Гипотеза о приливном землетрясении недавно получила новый импульс благодаря наблюдению, о котором сообщалось в журнале Nature Astronomy в феврале.

Роберт Стейн, один из авторов статьи, в октябре 2019 года работал на телескопе Zwicky Transient Factory в Калифорнии, когда поступило сообщение от нейтринной обсерватории IceCube в Антарктиде. IceCube обнаружила особенно энергичное нейтрино. Высокоэнергетические нейтрино образуются, когда космические лучи с ещё более высокой энергией рассеиваются на свету или материи в окружающей среде, где они образуются. К счастью, нейтрино, будучи нейтральными, движутся к нам по прямым линиям, поэтому они направлены прямо к источнику своего родительского космического луча.

Штейн повернул телескоп в направлении прибытия нейтрино IceCube. «Мы сразу же увидели, что произошло приливное разрушение в том месте, откуда прибыло нейтрино», — сказал он.

Соответствие данных повышает вероятность того, что TDE являются, по крайней мере, одним из источников сверхвысокоэнергетических космических лучей. Однако энергия нейтрино, вероятно, была слишком низкой, чтобы доказать, что TDE производят лучи с самой высокой энергией. Некоторые исследователи серьезно сомневаются в том, могут ли эти транзиентные явления ускорять ядра до крайнего конца наблюдаемого энергетического спектра; теоретики до сих пор изучают, как эти события вообще могут ускорять частицы.

Между тем, другие факты привлекли внимание некоторых исследователей к другим вопросам.

Starburst Superwinds

Обсерватории космических лучей, такие как Auger и Telescope Array, также обнаружили несколько горячих точек — небольших, едва заметных скоплений в направлениях прихода самых высокоэнергетических космических лучей. В 2018 году Auger опубликовал результаты сравнения своих горячих точек с местоположением астрофизических объектов, находящихся в пределах нескольких сотен миллионов световых лет от нас. (Космические лучи с больших расстояний теряли бы слишком много энергии при столкновениях на полпути.)

В соревновании по взаимной корреляции ни один тип объектов не показал исключительно хороших результатов — что вполне объяснимо, учитывая отклонение космических лучей. Но самая сильная корреляция удивила многих экспертов: около 10% лучей исходили из областей, находящихся в пределах 13 градусов от направлений так называемых «галактик со вспышками звездообразования». «Изначально они не входили в мои планы», — сказал Михаэль Унгер из Карлсруэского технологического института, член команды Auger.

Никто не был так воодушевлен, как Луис Анчордоки, астрофизик из колледжа Лемана Городского университета Нью-Йорка, который в 1999 году предположил, что источником сверхвысокоэнергетических космических лучей являются галактики со вспышками звездообразования. «Я могу быть несколько предвзят в таких вопросах, потому что именно я предложил модель, на которую сейчас указывают данные», — сказал он.

Галактики со вспышками звездообразования постоянно производят множество огромных звезд. Массивные звезды живут быстро и умирают молодыми в результате взрывов сверхновых, и Анчордоки утверждает, что «сверхветер», образующийся в результате коллективных ударных волн всех сверхновых, ускоряет космические лучи до умопомрачительных скоростей, которые мы наблюдаем.

Не все уверены в работоспособности этого механизма. «Вопрос в том, насколько быстры эти ударные волны? — говорит Франк Ригер, астрофизик из Гейдельбергского университета. — Стоит ли ожидать, что они достигнут самых высоких энергий? На данный момент я в этом сомневаюсь».

Другие исследователи утверждают, что объекты внутри галактик со вспышками звездообразования могут действовать как ускорители космических лучей, и что исследование методом кросс-корреляции просто выявляет обилие таких других объектов. «Как человек, который рассматривает транзиентные события как естественный источник, я считаю, что они очень распространены в галактиках со вспышками звездообразования, поэтому у меня нет никаких сомнений», — сказал Фаррар.

Активные галактики

В исследовании методом кросс-корреляции другой тип объектов показал результаты, почти такие же хорошие, как галактики со вспышками звездообразования: объекты, называемые активными галактическими ядрами, или АГЯ.

Активные галактические ядра (АГЯ) — это раскаленные добела центры «активных» галактик, в которых плазма поглощает центральную сверхмассивную черную дыру. Черная дыра всасывает плазму, одновременно выбрасывая огромные, долговечные струи.

Мощные представители особенно яркой подгруппы, называемой «радиогромкими» активными ядрами галактик, являются самыми яркими постоянно действующими объектами во Вселенной, поэтому они долгое время считались ведущими кандидатами на роль источника сверхвысокоэнергетических космических лучей.

Однако эти мощные радиоизлучающие активные галактические ядра слишком редки во Вселенной, чтобы пройти тест Динга, Глобуса и Фаррара: они никак не могут быть индикаторами крупномасштабной структуры. На самом деле, в нашем космическом окружении их почти нет. «Это хорошие источники, но не у нас под боком», — сказал Ригер.

Менее мощные радиоизлучающие активные ядра галактик встречаются гораздо чаще и потенциально могут напоминать непрерывную модель. Например, Центавр А, ближайшее радиоизлучающее активное ядро галактики, находится прямо в самой заметной горячей точке обсерватории Оже. (То же самое можно сказать и о галактике со вспышкой звездообразования.)

Долгое время Ригер и другие специалисты изо всех сил пытались заставить активные галактические ядра с низкой мощностью ускорять протоны до невероятно высоких уровней. Но недавнее открытие вернуло их «в игру», сказал он.

Астрофизикам давно известно, что около 90% всех космических лучей составляют протоны (то есть ядра водорода); еще 9% — ядра гелия. Лучи могут состоять из более тяжелых ядер, таких как кислород или даже железо, но эксперты долгое время предполагали, что они будут разорваны в результате бурных процессов, необходимых для ускорения сверхвысокоэнергетических космических лучей.

Затем, в начале 2010-х годов, ученые обсерватории Оже, сделав неожиданные выводы из формы атмосферных ливней, предположили, что лучи сверхвысокой энергии в основном состоят из ядер средней массы, таких как углерод, азот и кремний. Эти ядра достигают той же энергии, что и протоны, но движутся с меньшей скоростью. А это, в свою очередь, облегчает представление о том, как могут работать любые из потенциальных космических ускорителей.

Например, Ригер выявил механизм, который позволил бы маломощным активным ядрам галактик ускорять более тяжелые космические лучи до сверхвысоких энергий: частица могла бы дрейфовать из стороны в сторону в струе активного ядра галактики, получая отдачу каждый раз, когда она снова входит в самую быструю часть потока. «В этом случае они обнаруживают, что могут делать это с маломощными радиоисточниками», — сказал Ригер. «Они находятся гораздо ближе к нам».

В другой статье исследовался вопрос о том, могут ли события приливного разрушения естественным образом приводить к образованию ядер средней массы. «Ответ таков: это может произойти, если разрушаемые звезды являются белыми карликами», — сказала Сесилия Лунардини, астрофизик из Университета штата Аризона, соавтор статьи. «Белые карлики имеют такой состав — углерод, азот». Конечно, события приливного разрушения могут произойти с любой «неудачной звездой», — сказала Лунардини. «Но белых карликов много, поэтому я не считаю это чем-то искусственно созданным».

Исследователи продолжают изучать последствия того, что самые высокоэнергетические космические лучи имеют большую массу. Но все они сходятся во мнении, что это упрощает задачу их ускорения. «Больший вес, способствующий увеличению энергии, значительно облегчает процесс», — сказал Ригер.

Первоисточник

По мере того, как формируется короткий список потенциальных ускорителей, поиск правильного ответа будет по-прежнему основываться на новых наблюдениях. Все с нетерпением ждут появления AugerPrime, модернизированной обсерватории; начиная с конца этого года, она будет определять состав каждого отдельного события космических лучей, а не оценивать общий состав. Таким образом, исследователи смогут изолировать протоны, которые меньше всего отклоняются на пути к Земле, и, анализируя направления их прибытия, идентифицировать отдельные источники. (Предположительно, эти источники также будут производить более тяжелые ядра.)

Многие эксперты подозревают, что в спектр сверхвысокоэнергетических космических лучей может вносить вклад сочетание различных источников. Однако они, как правило, ожидают, что будет доминировать один тип источников, и только один будет достигать крайнего конца спектра. «Я ставлю на то, что это будет только один источник», — сказал Унгер.

Примечание редактора: Ноэми Глобус в настоящее время сотрудничает с ELI Beamlines в Чехии и Flatiron Institute в Нью-Йорке. Flatiron Institute финансируется фондом Simons Foundation, который также финансирует этот независимый от редакции журнал. Сотрудничество с фондом Simons Foundation никак не влияет на содержание наших публикаций.

Данная статья была перепечатана на сайте Wired.com.

Источник: www.quantamagazine.org