Российские физики продолжают изучать данные по заряженной частице с экстремальной энергией, зарегистрированной утром 27 мая 2021 года установкой международной коллаборации Telescope Array, которая расположена в пустынной части американского штата Юта. Особенностью этого феномена — в том, что его источником было нечто, расположенное где-то в локальной пустоте, в Местном войде* вблизи Местной группы галактик.
Источник частицы ученые обнаружили по траектории, восстановленной из возникшего после вторжения частицы в земную атмосферу широкого атмосферного ливня. В ноябре 2023 года в журнале Science была опубликована статья, описывающая это явление, после чего открытие широко освещалось СМИ и фигурировало в числе важнейших научных достижений года.
Событие, зарегистрированное 27 мая 2021 года установкой Telescope Array, привлекло внимание ученых прежде всего тем, что порождено необычно высокоэнергичной частицей. Это частица с самой высокой энергией за последние три десятка лет и вторая или третья за всю историю наблюдений. Восстановленная энергия частицы — 244±29 эксаэлектронвольт (2,44*1020 эВ), систематическая неопределенность плюс 51 минус 76. Долгое время рекорд удерживает знаменитая частица Oh-My-God («О Боже мой!») с энергией 320±90 ЭэВ, зарегистрированная вечером 15 октября 1991 года на испытательном полигоне Дагвэй в штате Юта с помощью установки-предшественницы Telescope Array — детектора космических лучей Fly’s Eye
(«Глаз мухи»). Но этот результат считался несколько «подозрительным».
Скепсис у исследователей вызывало то, что та частица оставалась поистине уникальной, ее рекорд формально не побит до сих пор, несмотря на то, что современные эксперименты в целом регистрируют в десятки раз больше космических лучей в этом диапазоне энергий, чем эксперимент Fly’s Eye. Кроме того, направление прихода частицы Oh-My-God было измерено с большой неопределенностью, что затрудняло ее астрофизическую интерпретацию. Поэтому новая частица-рекордсменка интересна еще и тем, что зарегистрирована уже на другой установке и с более точно определенным направлением.
Помимо Telescope Array, подобные частицы ультравысокой энергии регистрируются Обсерваторией Пьера Оже в Аргентине (Pierre Auger Observatory), расположенной, в отличие от Telescope Array, не в Северном, а в Южном полушарии. Экспозиция Pierre Auger больше в несколько раз, но частиц с энергиями выше 100 ЭэВ там зарегистрировано буквально единицы, тогда как у Telescope Array рекордных частиц двадцать с лишним.
В этом заключается один из парадоксов, который также предстоит разрешить. Существует даже рабочая группа из участников обоих экспериментов, которая пытается решить эту проблему, учитывая все возможные экспериментальные неопределенности с обеих сторон, в том числе различие в самом типе детекторов и в методах реконструкции.
Обсуждаемую частицу в данных Telescope Array первоначально обнаружил Тосихиро Фуджи (Toshihiro Fujii), занимавшийся реконструкцией данных эксперимента. Мы начали всё это обсуждать и решили, что находка заслуживает как минимум публикации. Причем выяснилось, что это не просто частица с рекордной энергией, — когда определили направление ее прихода и сравнили с моделью ожидаемых источников, то оказалось, что там, в этом месте, ничего нет. Это было очень любопытно и неожиданно: ожидалось, что, наоборот, при больших энергиях корреляция с источниками будет усиливаться — несмотря на галактическое магнитное поле.
- Михаил Кузнецов, кандидат физико-математических наук из Лаборатории обработки больших данных Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН
Низкоэнергичные частицы сильно отклоняются этим магнитным полем и утрачивают свое прежнее направление. Но чем выше энергия частицы, тем отклонение меньше. И была даже надежда на появление принципиально новой области астрономии — астрономии космических лучей — в том смысле, что такие высокоэнергичные частицы будут указывать на место своего появления, как и в обычной астрономии: вы видите свет — значит, там звезда. Здесь была надежда, что это произойдет с возрастанием энергии. Однако данная частица эту надежду совершенно не оправдывает, она не указывает ни на какой источник, то есть ведет себя так, как если бы имело место очень большое отклонение ее траектории от источника.
В общем, появилась загадка, пока еще окончательно не решенная. В статье Science было указано, что отклонение от ожидаемых источников большое, значит, скорее всего, это не протон, но не было уверенности, протон это или ядро, и какое именно ядро. Впрочем, с помощью машинного обучения почти сразу удалось исключить, что первичная частица может представлять собой фотон (с точностью 99,9%). Фотонный ливень сильно отличается от адронного. В адронном гораздо больше мюонов, рождающихся из адронных струй, а фотонный состоит в основном из электронов, позитронов и гамма-квантов.
Моя новая работа посвящена дальнейшему анализу свойств и происхождения этой рекордной частицы. Исходная логика была довольно простая: чем выше энергия — тем источник должен быть ближе, поскольку чем выше энергия — тем меньше длина свободного пробега частицы, которая рассеивается на реликтовом излучении. Это эффект Грайзена — Зацепина — Кузьмина (ГЗК) в области предельно высоких энергий. Соответственно, можно предположить, что при огромной энергии частицы ее источник должен быть совсем рядом (по космическим меркам), где-то в наших внегалактических окрестностях. Расстояние свободного пробега существенно разное для протонов и для ядер (для протонов оно больше, для ядер — меньше). Для промежуточных ядер (между протоном и железом) оно самое маленькое — где-то один-два мегапарсека. Эти ядра пролетают меньше, чем железо, потому что они более «рыхлые», легче «раскалываются», а в железе энергия связи больше, не говоря уж про протон. Ядер тяжелее железа мы не ожидаем — это уже некая экзотика, их в целом очень мало во Вселенной.
- Михаил Кузнецов
Таким образом, задача, которую ставил в своей новой работе Михаил Кузнецов, состояла в том, чтобы прежде всего доказать, что это не протон, для которого расстояние будет небольшим. В этом должен был помочь анализ корреляции частицы с возможными внегалактическими источниками, т. е. с другими галактиками в нашей внегалактической окрестности (если предполагать, что частицы летят всё же из тех мест, где есть какая-то материя, которая могла бы им тем или иным способом придать необходимое ускорение.
Для этого, во-первых, нужно было рассмотреть разные модели галактического магнитного поля.
Для него сейчас плохо известны направление и зависимость от точки внутри Галактики, но, по крайней мере, интенсивность известна с точностью до нескольких раз: это в среднем примерно 3 микрогаусса. Во-вторых, нужно было учесть возможность присутствия внегалактического магнитного поля — т. е. поля, пронизывающего всю Вселенную. Его существование сейчас надежно установлено, но ни величина, ни морфология достоверно не известны — возможные значения интенсивности могут различаться в сто миллионов раз — от десятков аттогаусс (10-17 Гс) до примерно 2 наногаусс (2*10-9 Гс). В любом случае оно много слабее, чем поле в Галактике, но за счет больших внегалактических расстояний в итоге может набираться значительное отклонение космических лучей.
При этом промежуточные ядра не то чтобы твердо исключаются (в принципе, это могут быть и промежуточные ядра вроде кремния или кальция), но для них ограничение на расстояние до источника будет еще более жестким, и источник должен будет находиться еще ближе. И вот в случае железа получается, что источник находится не далее 5 мегапарсек. Пока еще окончательно не ясно, что именно порождает подобные частицы. Обычно в качестве источников рассматриваются какие-то мощные астрофизические объекты вроде сверхмассивных черных дыр.
Но смысл работы был не в том, чтобы найти конкретный источник для этой конкретной частицы. Интересно понять универсальную закономерность: какие источники в принципе их порождают. Поэтому, хотя статья и называется «Близкий источник космических лучей ультравысоких энергий», с определенностью можно сказать лишь, что он близко, но какой конкретно это источник, указать не получается, да это и не столь важно. Важно прежде всего понять, какое до него расстояние, и исходя из этого оценить концентрацию всех этих источников в космосе. С учетом статистической неопределенности, расстояние в 5 Мпк соответствует концентрации источников не менее 1 на 10 000 Мпк3.
В работе приведена схема, на которой отмечено, для каких классов источников астрофизики допускают подходящую концентрацию в пространстве и подходящую светимость. Диагональная сплошная линия показывает светимость (в гамма-диапазоне) одного источника, необходимую для обеспечения наблюдаемого полного потока космических лучей ультравысоких энергий. При этом предполагается, что светимость источника в космических лучах равна его гамма-светимости, или, по крайней мере, отличается от нее не более, чем в 10 раз в большую или меньшую сторону: это пространство между пунктирной и точечно-пунктирной линиями. Среди подходящих источников — активные ядра галактик, т. е. сверхмассивные черные дыры, на которые идет аккреция, а также блазары — такие же аккрецирующие ядра, только еще и с джетом, направленным в сторону Земли.
Есть еще скопления галактик, т. е. какие-то относительно компактные объекты, где много галактик, — там может быть горячий газ, а в нем ударные волны — это тоже потенциальный ускоритель космических лучей. Указаны и галактики со вспышками звездообразования. Это тоже ударные волны, только в меньшем объеме. Есть и события приливного разрушения, в ходе которых звезда, пролетающая рядом со сверхмассивной черной дырой, разрушается под действием ее гравитации и порождает потоки материи, которые могут выступать в качестве ускорителей частиц.
Как и более раннее исследование коллаборации Pierre Auger, моя работа дает на этой картинке вертикальную линию (пунктирную), так что классы источников лежащие слева от нее (т. е. встречающиеся в космосе в среднем довольно редко) оказываются достаточно надежно исключены. Среди таковых, например, галактики со вспышками звездообразования, скопления галактик, блазары, вышеописанные события приливного разрушения — они все, оказывается, не могут быть источниками полного потока космических лучей, только какой-то маленькой его части. А другие классы остаются разрешенными. Скажем, определенный тип активных ядер галактик — FR-I (это такие радиогалактики, у которых активность джетов падает с удалением от ядра). Ядра галактик с низкой светимостью тоже вполне могут. Или гиперновые, гамма-всплески — в принципе, они тоже кандидаты на роль источников таких космических лучей.
- Михаил Кузнецов
Нет комментариев