Физики-теоретики объяснили самые мощные космические лучи
Ультравысокоэнергетические космические лучи (УВЭКЛ) могут быть порождены ядрами атомов тяжелее железа — такую гипотезу выдвинули физики-теоретики в журнале Physical Review Letters.
К УВЭКЛ относят заряженные частицы с энергией, недостижимой в ускорителях. Это довольно редкие «гости» на нашей планете. Среди самых известных примеров — частица Аматэрасу, зарегистрированная обсерваторией Telescope Array в штате Юта в 2021 году, и частица Oh-My-God (1991).
Авторы исследования предположили, что чем тяжелее ядро, тем медленнее оно теряет энергию в полете через космос. Если они правы — а расчеты подтверждают их выкладки — это сузит круг космических источников, способных ускорять такие частицы.
«УВЭКЛ могут разгоняться лишь самыми мощными источниками во Вселенной. Обнаруживая отдельные частицы космических лучей, такие как Аматэрасу, на Земле, мы можем использовать их энергию, направление прилета и ожидаемое отклонение в магнитных полях, чтобы сделать вывод о возможном источнике», — объясняет профессор Кота Мурасе из Университета штата Пенсильвания, руководивший исследованием.
Загвоздка в том, что частица Аматэрасу прилетела из Местного войда — в буквальном смысле пустоты, в которой нет очевидных источников космических лучей сверхвысоких энергий.
«Происхождение и механизмы ускорения этих частиц уже более 60 лет, с момента регистрации первого подобного события, остаются одной из главных загадок в нашей области», — говорит Мурасе.
С энергией выше 100 эксаэлектронвольт (ЭэВ — квинтиллион электронвольт) эти частицы примерно на семь порядков энергичнее протонов, разогнанных в Большом адронном коллайдере. Энергия Аматэрасу, по оценкам, превышала 244 ЭэВ — что делает ее одним из самых мощных космических лучей из когда-либо зарегистрированных.
«Считается, что эти частицы предельно высоких энергий рождаются в экстремальных астрофизических источниках, таких как столкновения двух нейтронных звезд или коллапс массивной звезды, — продолжает физик. — Если рассматривать множество событий космических лучей в совокупности, то их энергетическое распределение, картина направлений прилета и восстановленный статистически состав дают важные подсказки о том, откуда приходят эти частицы и как они ускоряются».
Ученые провели детальные компьютерные симуляции изменения энергии частиц в полете через межгалактическое пространство.
«Мы показали, что при энергиях, сравнимых с энергией Аматэрасу, сверхтяжелые ядра теряют энергию медленнее, чем протоны или ядра промежуточной массы. Это позволяет им дальше лететь и достигать Земли с большей энергией. Мы не утверждаем, что все ультравысокоэнергетические космические лучи — это сверхтяжелые ядра. Но если некоторые из них все же имеют такую природу, это сильно упростит поиск их источников», — подчеркивает профессор.
Авторы также вывели новые ограничения на вклад сверхтяжелых ядер в общую популяцию наблюдаемых космических лучей сверхвысоких энергий.
«Наиболее перспективные места для рождения и ускорения таких сверхтяжелых ядер — это гибель массивных звезд с коллапсом в черные дыры или сильно намагниченные нейтронные звезды, а также слияния двойных нейтронных звезд, которые, как известно, служат мощными источниками гравитационных волн. Эти бурные космические явления также могут порождать гамма-всплески — одни из самых мощных взрывов во Вселенной. Вклад таких источников мог бы также объяснить возможные различия в спектрах УВЭКЛ, наблюдаемые в Северном и Южном полушариях. Если сверхтяжелые ядра действительно вносят значительный вклад в спектр при самых высоких энергиях, данные должны будут указать на состав, более тяжелый, чем железо», — рассуждает Мурасе.
Проверить эти признаки смогут обсерватории следующего поколения, такие как предлагаемый проект AugerPrime в Аргентине или перспективная Глобальная космическая обсерватория, подытожил он.
