Чрезвычайно мощный космический луч ударил в Землю и ученые не знают, откуда он взялся

Космический луч, вошедший в атмосферу Земли, ошеломил астрофизиков. Крошечная частица несла более 240 экзаэлектронвольт энергии, или 2,4 х 1020 электронвольт – уступая только знаменитой, умопомрачительной частице Oh-My-God («О Боже мой!»), обнаруженной еще в 1991 году, с ее 320 экзаэлектронвольтами. 

Но примечателен он не только этим, но и тем, что, как и в случае с частицей «О Боже мой!», ученые не смогли отследить новую частицу до очевидного источника. Исследование опубликовано в журнале Science. 

«Частицы имеют настолько высокую энергию, что на них не должны влиять галактические и внегалактические магнитные поля. Вы должны быть в состоянии указать, откуда они берутся в небе», — говорит физик Джон Мэтьюз из Университета Юты и член коллаборации Telescope Array, которая сделала это открытие. «Но в случае с частицей «О Боже мой!» и этой новой частицей вы прослеживаете ее траекторию до источника, и нет ничего достаточно высокой энергии, чтобы произвести ее. В этом и загадка — что происходит?»

Космические лучи — это своего рода космическая загадка. Мы можем обнаружить их уже более века, но у нас до сих пор нет четкого представления обо всех различных способах их распространения по Вселенной.

На самом деле это не излучение, как свет; это частицы, в основном атомные ядра, но также и субъядерные частицы, такие как протоны и электроны. И они движутся по Вселенной со скоростью, близкой к скорости света, с большей силой, чем должны были бы иметь.

Ученые полагают, что они производятся в результате энергетических процессов, таких как сверхновые и столкновения звезд. Менее энергичные источники, такие как звезды (включая Солнце), производят космические лучи с более низкой энергией, но более мощные источники немного сложнее обнаружить.

Наша атмосфера защищает нас от космических лучей, и это на самом деле здорово, но у нас все еще есть несколько довольно эффективных способов их обнаружения.

Когда космический луч попадает в атмосферу, он сталкивается с другими частицами в ней, образуя дождь частиц, который падает на Землю. У нас есть обсерватории, которые могут обнаружить эти частицы и связать их со столкновением космических лучей, которое их породило.

Однако ливни, создаваемые энергичными космическими лучами, падают на относительно большую территорию, а это значит, что нам нужно покрыть довольно большой участок земли, если мы хотим восстановить событие с частицами с какой-либо точностью.

Телескопическая решетка, управляемая международным сотрудничеством, имеет эффективную зону обнаружения 700 квадратных километров.

27 мая 2021 года массив принял сигнал. После выполнения расчетов и анализа, а также проверки и перепроверки коллаборация Telescope Array пришла к выводу, что они нашли частицу на энергетической шкале частицы «О Боже мой!».

«Когда я впервые обнаружил эти космические лучи сверхвысокой энергии, — говорит физик Тосихиро Фуджи из Столичного университета Осаки, который руководил исследованием, — я подумал, что это, должно быть, ошибка, поскольку они показали беспрецедентный за последние три десятилетия уровень энергии».

Открытие, сделанное с использованием техники, отличной от той, которая обнаружила частицу «О Боже мой!», и в другой части неба, предполагает, что, хотя и редко, эти наблюдения представляют собой реальные астрофизические события. Обнаружение «О-Боже-мой» не было ни случайностью, ни ошибкой.

Исследовательская группа назвала новую частицу Аматэрасу в честь могущественной синтоистской богини Солнца. Оба, по мнению исследователей, вероятно, являются протонами.

И, что ж, подтверждение существования космических лучей сверхвысокой энергии означает, что у нас теперь есть что-то вроде рассола. Видите ли, частицы сверхвысоких энергий имеют четкую границу, энергию, известную как предел Грейзена-Зацепина-Кузьмина, которая составляет 5 x 10 19 электрон-вольт.

Считается, что это максимальная энергия, которую частица может поддерживать на больших расстояниях (около 160 миллионов световых лет), поскольку космические лучи теряют энергию при путешествии в космосе.

Очевидно, на таком расстоянии от нас есть что-то, что могло бы производить космические лучи, но ничего даже близкого к достаточно мощному, чтобы произвести О Боже мой! или Аматэрасу, не было обнаружено в пределах 160 миллионов световых лет от Солнечной системы.

«То, что люди считают энергичными, например, сверхновые, на самом деле далеко не достаточно энергично для этого», — говорит Мэтьюз. «Вам нужно огромное количество энергии и очень сильные магнитные поля, чтобы удержать частицу во время ее ускорения».

И прослеживание линии, которую Аматэрасу, кажется, прошла через космос, ведет обратно в космическую пустоту – область пространства между нитями, на которых галактики имеют тенденцию группироваться, с относительно небольшим количеством внутри. Это означает, что мы чего-то упускаем.

Возможно, магнитные поля ускоряют частицы лучше, чем мы думали. Возможно, поблизости есть источник, которого мы не видели. Или, возможно, частицы указывают нам на невиданный ранее астрофизический феномен.

«Это могут быть дефекты в структуре пространства-времени, сталкивающиеся космические струны», — говорит физик Джон Белз из Университета Юты. «Я имею в виду, что я просто выплескиваю сумасшедшие идеи, которые приходят в голову людям, потому что нет общепринятого объяснения. Это настоящая загадка».