Космическую вспышку необычной энергии зафиксировали российские учёные

14.10.2022

Установка «Ковер-2» Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) зарегистрировала самый высокоэнергетический фотон в истории наблюдений космических гамма-всплесков. Это должно привести к революционным изменениям либо в физике частиц, либо в астрономии.

Гамма-всплеск – это очень энергичное и заканчивающееся в течение нескольких минут (в крайнем случае, до нескольких часов) событие, связанное со смертью массивных звезд, наподобие вспышки сверхновой, только еще более интенсивное и мощное. Предполагалось даже, что такое событие в нашей Галактике привело к вымиранию динозавров, однако сейчас большинство исследователей считает, что это не так. Хотя гамма-всплески регистрируются практически каждый день (есть специальные телескопы, которые мониторят космическое излучение в гамма- или рентгеновском диапазоне), в данном случае речь идет о регистрации фотонов самой высокой энергии для события, случившегося не в нашей Галактике.

Сначала эту вспышку зарегистрировала орбитальная обсерватория NASA Fermi. Этот всплеск оказался самым энергичным за всю историю наблюдений этим инструментом, с 2008 года – был зарегистрирован фотон самой большой энергии, 99 ГэВ (почти 0,1 ТэВ). Потом китайский эксперимент LHAASO, нацеленный на регистрацию частиц высокой энергии, опубликовал сообщение о том, что зафиксирован ряд фотонов с энергиями до 18 ТэВ от этой вспышки. Вслед за этим установка «Ковер-2», расположенная на Северном Кавказе в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, зафиксировала фотон с энергией 251 ТэВ. Гамма-всплески происходят в далеких галактиках, если бы такое событие случилось в нашей Галактике, это имело бы очень негативный эффект для всего живого.

Почему это интересно (открытие «Ковра-2» уже было названо революционным, например, в появившейся сегодня статье итальянских теоретиков https://arxiv.org/abs/2210.05659 )? Расстояние до гамма-всплеска, полученное с помощью спектральных наблюдений на самых крупных оптических телескопах мира, составляет около двух миллиардов световых лет. Согласно современным представлениям, фотоны высоких энергий – и наблюдавшиеся LHAASO 18-ТэВные, и рекордный 251-ТэВный фотон «Ковра-2» – не могут долететь до нас с такого расстояния. Взаимодействуя с пронизывающим Вселенную реликтовым излучением, со светом звезд и галактик, такие фотоны рождают электрон-позитронные пары. Фотон с энергией в 251 ТэВ не долетит даже от соседней галактики Андромеды.

Значит, если «Ковер-2» и LHAASO действительно наблюдали такой далекий источник, что-то придется менять в самых основных законах физики частиц. Например, предлагалось введение новых частиц – аксионов, которые могли бы «законсервировать» фотон вблизи источника и высветить его обратно в магнитном поле нашей Галактики. Еще более радикальное предположение – о нарушении законов специальной теории относительности, которое могло бы привести к подавлению взаимодействий фотонов при таких энергиях. Пока неясно, смогут ли даже такие фантастические сценарии помочь объяснить результаты наблюдений случившегося на днях гамма-всплеска.

Либо, что тоже возможно, астрономы ошиблись и приняли за далекий гамма-всплеск какой-то взрывной процесс в нашей Галактике, на расстояниях “всего лишь” в десятки тысяч световых лет, а не в миллиарды. В пользу этого предположения говорит то, что на небе вспышка попадает в область Млечного Пути, где сконцентрирована основная масса звезд и других астрофизических объектов нашей Галактики. Однако в этом случае загадка из области физики частиц перемещается в область астрономии – что за удивительный объект вспыхнул в Галактике и как ему удалось «притвориться» далеким гамма-всплеском? И в том, и в другом случае революционные открытия должны случиться – либо в физике элементарных частиц, либо в астрономии! Вероятно, мы еще услышим о продолжении этой истории. Сейчас сотни ученых по всему миру думают, как объяснить подобные космические явления.

Установка «Ковер-2» расположена в наземной части кампуса Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН и регистрирует каскады заряженных частиц, рождающихся в результате взаимодействия высокоэнергичного излучения в атмосфере Земли. Чтобы определить тип частицы, вызвавшей каскад, используется детектор мюонов площадью 175 кв.м – в отличие от гораздо более многочисленных космических лучей, фотоны вызывают ливни, в которых мюонов мало.

Событие, связанное со вспышкой 9 октября, не дало ни одного мюона во всем детекторе, поэтому с большой вероятностью было вызвано фотоном. Такие события случаются редко, и, как отмечает коллектив “Ковра-2” (а это 22 ученых и инженера, все работают в ИЯИ РАН) в астрономической телеграмме о своем открытии, вероятность случайного совпадения такого события с гамма-всплеском составляет порядка одной десятитысячной.

Таким образом, данная космическая вспышка еще ждет своих исследователей, физиков-теоретиков, которые объяснят, каков источник фотонов с такой высокой энергией и как им удалось долететь через пол-Вселенной до Приэльбрусья.