Мощнейший космический луч поймали на Земле

Это всего второй такой высокоэнергетический космический луч, который удалось обнаружить за всю историю. Но откуда он взялся? Что это вообще такое, и при чём здесь «частица Бога»? Учёные из ИЯИ РАН сумели раскрыли природу частицы высокой энергии «Аматэрасу».

Среди бескрайних просторов вселенной существует множество загадочных явлений. И знания наши о них в лучшем случае незначительны. Есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам … Например, космические лучи высокой энергии, загадочные потоки частиц и прочие тайны мироздания, которые десятилетиями ставят в тупик ученых.

История

Всё началось в 1912 году — австрийский физик Виктор Гессом проводили эксперименты с с ионизационными камерами на воздушных шарах и обнаружил странное явление. Гесс отметил, что интенсивность космического излучения увеличивалась с увеличением высоты полёта.

Благодаря процессу ионизации Д. В. Скобельцын с помощью камеры Вильсона смог даже «увидеть» следы космических частиц.

Следующим важным этапом стало открытие Пьера Оже. Он обнаружил, что частицы с высокой энергией проникают в атмосферу и взаимодействуют с молекулами, создавая целые широкие атмосферные линии (ШАЛ).

А немногим позже различными учёными в этих лучах были открыты позитроны, мюоны, π-мезоны, каоны и гипероны (в общем, всякие частицы из квантовой физики, пожалуй, туда я углубляться сейчас не буду).

Самое главное, наверное, что с появлением ракет и развитием космонавтики исследователи обнаружили радиационные пояса Земли. В том числе и из-за этого появились новые методы исследования космоса.

В общем, теперь ясно, что космические лучи — не то, чем они кажутся на первый взгляд. Вернее сказать, это и вовсе не лучи, а потоки элементарных частиц, фотонов и ядер атомов. И потоки эти перемещаются с высокой энергией через космос.

Благодаря этим лучам возникает естественная радиация, которая вредит технике и всему живому за пределами Земли.

Но сейчас в научном сообществе вновь поднялся ажиотаж вокруг лучей ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ. Именно о них мы и поговорим.

Что такое космические лучи высокой энергии?

Ну, это те же потоки частиц, но они обладают огромной энергией. И когда мы говорим про огромную, это значит действительно огромную.

Обычно энергия частиц космических лучей охватывает диапазон от десяти мегаэлектронвольт до десяти гигаэлектронвольт (от 10⁶ до 10⁹ эВ).

А частицы со сверхвысокими энергиями могут превышать один эксаэлектронвольт (1 ЭэВ = 10¹⁸ эВ). Только вот встречаются они крайне редко.

Электрон-вольт — это энергия электрона, которую он набирает при разгоне напряжением 1 Вольт. Для простого сравнения, давайте возьмём обычный батарейный фонарик. Если мы возьмём один электрон и передадим его через этот фонарик, энергия, которую он получит, будет порядка одного электронвольта. Это довольно небольшое количество энергии, но в мире атомов и элементарных частиц это может быть достаточным для многих процессов.

О мой Боже!

А вот что абсолютно уникально, так это поймать частицы с энергией выше 10²⁰ эВ. Первую такую ультравысокоэнергетическую частицу (3 x 10²⁰ эВ) зафиксировали 15 октября 1991 года на испытательном полигоне Дагвэй.

Самое забавное, что эти частицы превышают теоретический предел энергии для космических лучей 5 x 10¹⁹ эВ, вызванный их взаимодействием с фотонами реликтового излучения.

Эта частица имела настолько высокую кинетическую энергию, что перемещалась в пространстве со скоростью примерно 99,99999999999999999999951 % от скорости света. Неплохо, не так ли?

Испытательный полигон Дагвэй
Swilsonmc

Но даже с такой высокой энергией, она все ещё примерно в 40 миллионов раз меньше теоретически максимально возможной планковской энергии.

Открытие поразило учёных настолько, что частице было дано название «Oh-My-God» («О мой Боже!»).

ferra.ru

Её происхождение до сих пор остается одной из ключевых загадок астрофизики. К тому же, ни один известный объект в нашей галактике просто не способен произвести что-то с такой большой энергией.

Луч Аматэрасу

Лучи таких энергий очень редкие, за столько лет наблюдений с использованием обширного массива телескопов зафиксировали 30 событий сверхвысокоэнергетических лучей, но ни один из них и близко не был таким, как «О, Боже мой».

Этот массив телескопов располагается в пустыне штата Юта, появился он благодаря международному сотрудничеству, площадь же его более 480 квадратных километров.

И вот, 27 мая 2021 года, зарегистрировали новое событие, которое почти столь же впечатляющее, как и ранее пойманный луч — 2,4 x 10²⁰ эВ. Теперь в пустыне сработало 23 детектора на площади 30 квадратных километров. Это значит, что был именно ливень, который породила одна частица ультравысокой энергии.

Обнаружили это явление на рассвете, потому решили назвать в честь японской богини Солнца — Аматэрасу.

Анализировали всё это учёные из России, США, Японии, Южной Кореи и Бельгии. Подробнее о результатах можно почитать в журнале Science. И опять же, ни один известный объект нашей галактики не смог бы породить такое. Этот луч настолько мощный, что на него даже магнитные поля планет не влияют.

Иллюстрация художника регистрации ШАЛ, который попал на массив поверхностных детекторов в эксперименте Telescope Array
Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

Вначале учёные из Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН с помощью методов машинного обучения обработали сигнал, полученный от всех станций наземной решетки детекторов Telescope Array.

Результаты, которые они получили, позволили сделать вывод, что данная частица, скорее всего, представляет собой протон или ядро атома.

А затем траекторию полёта частицы соотнесли с трёхмерной картой Вселенной. И тут-то и обнаружилось самое неловкое. Там, откуда эта частица прилетела, нет ничего. Это область локальной пустоты на границе с нашей галактикой.

Установлено, что частица пришла из пустой области в локальной Вселенной. Это указывает на её очень сильное отклонение от источника и, следовательно, на то, что частица с высокой вероятностью является атомным ядром с большим зарядом. Это, в свою очередь, говорит о том, что её источник, хотя он и не идентифицирован явно, находится относительно близко к нашей Галактике

Михаил Кузнецов
научный сотрудник ИЯИ РАН

То есть, проще говоря, раз там нет ничего такого, что могло бы породить такую энергию, то и частицам там взяться не откуда. Но они есть и долетают до нас.

И что теперь?

Возникает закономерный вопрос: это вообще опасно, что нам делать? Не пора ли паниковать?

Но вот в интервью РИА Новости ведущий научный сотрудник Института космических исследований (ИКИ) РАН Натан Эйсмонт подчеркнул, что паниковать вовсе не нужно.

Напротив, он считает, что теперь у ученых есть шанс уточнить существующие теории, и такому развитию событий «следует радоваться».

Детекторы Telescope Array
Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo

Вообще, как я ранее уже писал, всякие космические лучи постоянно путешествуют по космосу и заглядывают к нам на огонёк. Энергия у них, правда, не такая высокая.

Банально, выйти летом под лучи палящего Солнца, и то будет опаснее. Так что «здесь внизу» бояться действительно нечего.

Тем не менее, космонавты и космические аппараты, которые находятся в космосе, подвергаются более высоким уровням «облучения». Поэтому при планировании космических миссий необходимо учитывать воздействие этих лучей на здоровье членов экипажа и оборудование.

Для науки же это действительно громкое и радостное событие. Изучение космических лучей позволит нам понять природу самых энергетических процессов во Вселенной. Например, это могут быть чёрные дыры, сверхновые и активные ядра галактик.

Сверхмощные космические лучи не поддаются влиянию магнитных полей в отличие от более слабых
Osaka Metropolitan University/Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

Более того, так мы сможем понять структуру и эволюцию Вселенной. Взаимодействие этих частиц с атмосферой Земли создает каскады вторичных частиц, которые можно измерить и проанализировать.

Учёные из России надеются, что разработанные ими методы, которые основаны на машинном обучении, позволят провести высокоточной анализ. А это, в свою очередь, поможет лучше понять природу космических лучей ультравысоких энергий и определить — протоны ли перед нами или же иные частицы, с ядрами потяжелее.

Регистрация космических лучей предельно высоких энергий даёт возможность вести поиск проявлений новых частиц и взаимодействий в ранее недоступных для исследования областях. Подобные модели, связанные прежде всего с нейтринным сектором и с сектором тёмной материи, могут решить ряд фундаментальных проблем современной физики.

Сергей Троицкий
главный научный сотрудник отдела теоретической физики ИЯИ РАН

Такие дела.