Одна из самых загадочных частиц, когда-либо зафиксированных человечеством, врезалась в атмосферу Земли в 2021 году. Она получила название "Аматэрасу" – в честь японской богини солнца – и несла энергию, что примерно в 40 миллионов раз превышает энергию частиц, которые разгоняют в CERN на Большом адронном коллайдере, рассказывает 24 Канал.
Смотрите также На самой горячей планете могли уцелеть зонды Земли – новое исследование удивило ученых
Для сравнения, кинетическая энергия этой единственной космической частицы была сопоставима с энергией быстро летящего теннисного мяча,. Для субатомной частицы это практически невероятный показатель.
Почему "частица Аматэрасу" озадачила ученых?
"Аматэрасу" стала второй самой мощной космической частицей за всю историю наблюдений после знаменитой "Oh-My-God particle", обнаруженной еще в 1991 году. Но самая большая проблема заключается не только в ее энергии, но и в происхождении. Анализ траектории показал, что она могла прилететь из региона космоса, где нет очевидных источников столь мощного излучения.
Именно это сделало открытие особенно удивительным для астрофизиков.
Новое исследование, опубликовано в журнале Physical Review Letters, предлагает неожиданное объяснение. Команда во главе с астрофизиком Кота Мурасе (Kohta Murase) предполагает, что самые энергетические космические лучи могут быть не протонами, как часто считалось, а ядрами элементов, тяжелее железа.
По словам Мурасе, сверхвысокоэнергетические космические лучи остаются одной из самых больших загадок астрофизики уже более 60 лет.
Сверхвысокоэнергетические космические лучи могут ускоряться только одними из самых мощных источников во Вселенной,
– объяснил ученый.
Исследователи давно подозревали, что источником таких частиц могут быть экстремальные события в космосе – например, коллапс массивных звезд с формированием черных дыр или столкновения нейтронных звезд.
Нейтронные звезды сами по себе являются почти немыслимыми объектами. Если взять чайную ложку их материи, на Земле она весила бы примерно 10 миллионов тонн. А теперь стоит представить столкновение двух таких сверхплотных тел диаметром около 20 километров.
Именно такие катастрофические события, по мнению авторов работы, могут выбрасывать во Вселенную сверхтяжелые атомные ядра с колоссальной энергией.
Чтобы проверить гипотезу, команда провела серию компьютерных симуляций. Ученые моделировали, как космические лучи различной массы теряют энергию во время путешествия сквозь межгалактическое пространство.
Что увидели ученые?
Результаты показали интересную закономерность: ядра элементов, тяжелее железа, теряют энергию значительно медленнее, чем легкие частицы. Это означает, что они имеют больше шансов долететь до Земли, не "растеряв" свою рекордную энергию по дороге.
Наше исследование показало, что при энергиях, сопоставимых с частицей Аматерасу, сверхтяжелые ядра теряют энергию медленнее протонов или ядер средней массы,
– отметил Мурасе.
В то же время команда не утверждает, что все сверхвысокоэнергетические космические лучи состоят именно из сверхтяжелых ядер. Но если хотя бы часть таких событий связана с ними, это может существенно изменить подход к поиску их источников.
Особое внимание исследователи обращают на слияние нейтронных звезд – события, которые также порождают гравитационные волны и яркие гамма-вспышки во Вселенной, объясняет Space.com. Именно эти космические катастрофы сейчас выглядят перспективными кандидатами на роль "пушек", запускающих сверхмощные космические лучи в сторону Земли.
Что это означает для нас?
На практике такие космические лучи не представляют прямой угрозы человечеству – атмосфера Земли надежно защищает поверхность планеты от большинства высокоэнергетических частиц. Когда подобный луч врезается в атмосферу, он создает целый "дождь" из вторичных частиц, но до земли доходит лишь небольшая часть этой каскадной волны.
Однако для науки значение таких открытий огромное. Сверхвысокоэнергетические космические лучи – это своеобразные "посланцы" самых экстремальных процессов во Вселенной. Они могут помочь ученым понять, как работают черные дыры, нейтронные звезды и гамма-вспышки – мощные взрывы в космосе.
Кроме того, изучение таких частиц дает физикам возможность исследовать энергии, которые человечество не способно воспроизвести даже на самых современных ускорителях. Например, как сообщает Science, "частица Аматэрасу" несла энергию более 240 эксаэлектронвольт – это примерно в десятки миллионов раз больше, чем достигается в Большом адронном коллайдере.
Некоторые ученые также считают, что подобные исследования могут помочь проверить границы современной физики. Если свойства таких частиц не будут укладываться в нынешние теории, это может стать намеком на существование новой физики за пределами Стандартной модели.
Как мы вообще ловим такие частицы?
Парадокс в том, что ученые почти никогда не "видят" сам космический луч напрямую. Зато они фиксируют последствия его удара по атмосфере Земли.
Когда сверхвысокоэнергетическая частица врезается в верхние слои атмосферы, она порождает огромный каскад вторичных частиц – так называемый атмосферный "дождь". Именно его и регистрируют наземные обсерватории.
Одним из главных инструментов для этого является Pierre Auger Observatory – крупнейшая в мире обсерватория космических лучей. Она использует два метода одновременно.
- Первый – это огромные резервуары с водой, которые улавливают частицы, достигающие поверхности Земли.
- Второй – специальные телескопы, которые ночью наблюдают ультрафиолетовое свечение в атмосфере, возникающее во время прохождения каскада частиц.
"Частицу Аматерасу" обнаружила другая установка – Telescope Array Project. Это гигантская сеть из более 500 детекторов, расположенных в пустыне штата Юта на площади около 700 квадратных километров. Именно эта система зафиксировала след от космического луча в мае 2021 года, как сообщает сайт Университета Юты.
Художественная иллюстрация фиксации энергичного космического луча сетью детекторов / Фото attheu
Проблема заключается в том, что такие события чрезвычайно редки. Частицы уровня "Аматэрасу" могут прилетать лишь раз в десятки или даже сотни лет на каждый квадратный километр атмосферы. Именно поэтому ученым приходится строить детекторы гигантских масштабов.
Что будет дальше с этой гипотезой?
Следующий этап – проверить, действительно ли самые энергетические космические лучи состоят из сверхтяжелых атомных ядер.
Для этого астрофизики планируют собрать значительно больше данных о составе космических лучей и точнее определять направления их прибытия. Если новая гипотеза правильная, будущие наблюдения должны показать, что на самых высоких энергиях частицы становятся "тяжелее" железа.
Большую роль здесь будет играть модернизация существующих обсерваторий. Например, Telescope Array уже расширяют новыми детекторами, чтобы ловить больше редких событий вроде "Аматерасу".
Параллельно исследователи пытаются сопоставить направления космических лучей с расположением потенциальных источников – активных галактик, магнитаров, черных дыр и мест столкновения нейтронных звезд. Это поможет понять, какие именно объекты способны разгонять частицы до столь фантастических энергий.
Если гипотеза подтвердится, это станет одним из важнейших прорывов в астрофизике высоких энергий за последние десятилетия – и может изменить наше понимание того, как работает самая экстремальная Вселенная.