Недалеко от Земли: как астрономы нашли космические частицы с колоссальной энергией

Астрономы обнаружили в космических лучах электроны с огромной энергией, намного превышающей возможности существующих ускорителей. Происхождение этих частиц загадочно, но похоже, что их источник находится вблизи Солнечной системы. Открытие описано в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Гости из космоса

Космические лучи — это энергичные заряженные частицы, приходящие на Землю из космического пространства. В основном это протоны и электроны, но встречаются также позитроны и атомные ядра. Обычно космическими лучами называют лишь частицы с энергией более 100 мегаэлектронвольт, чтобы отличить их от менее энергичных частиц.

Космические лучи опасны для спутников, потому что могут вывести из строя электронику. Для межпланетных зондов, которые выходят из-под защиты магнитного поля Земли, опасность особенно велика. Инженеры вынуждены использовать специальные стойкие к облучению микросхемы, причем стойкость достигается в ущерб другим качествам. Ни одна межпланетная станция пока не имела столь же мощного процессора, как заурядный ноутбук. Перед облучением уязвима не только техника, но и люди. Эксперты до сих пор спорят, позволят ли космические лучи человеку долететь до Марса живым и здоровым.

Но если для инженеров космические лучи — источник головной боли, то для астрономов они — подарок и одновременно загадка. Подарок потому, что потенциально они несут информацию о далеких небесных телах, в которых рождаются. А загадка — потому что не так-то просто понять, где же именно они рождаются.

Космические лучи делятся по происхождению на солнечные и галактические. Солнечные, как ясно из названия, возникают на Солнце, а галактические — где-то на просторах Галактики. Поток галактических космических лучей обрушивается на Землю равномерно со всех сторон. Отследить их источники очень трудно. Межзвездные магнитные поля действуют на заряженные частицы, искривляя их траектории. В итоге частица может прилететь совсем не с той стороны, где она родилась. Астрофизики полагают, что часть галактических космических лучей на самом деле приходит из других галактик.

У «земных» физиков есть своя причина интересоваться космическими лучами. Большой адронный коллайдер, самый мощный ускоритель частиц в истории, разгоняет протоны до энергии около 7 тераэлектронвольт (ТэВ). В космических лучах встречаются «монстры» с энергией, в десятки миллионов раз большей. В последний раз такое произошло  в 2021 году. Ученые зафиксировали частицу (предположительно, протон) с энергией почти 40 джоулей. Такую энергию имел бы теннисный мяч, летящий со скоростью 134 км/ч! А ведь речь идет об отдельном протоне, который почти во столько же раз легче этого мяча, во сколько мяч легче Луны. Космические лучи — единственная возможность узнать, как ведут себя элементарные частицы при подобных энергиях. Она позволяет если не открыть новые физические законы, то хотя бы отбросить некоторые гипотезы — например, что при таких энергиях начинается гибельный для Вселенной распад вакуума.

Жизнь под ливнем

Космические лучи трудно изучать, потому что они не достигают поверхности Земли. Пришедшие из космоса частицы сталкиваются с атомами воздуха и вступают с ними в ядерные реакции, порождая дочерние частицы. Те снова сталкиваются с атомами воздуха, и так далее. Процесс нарастает как лавина. Одна прилетевшая из космоса энергичная частица порождает целый ливень вторичных частиц, обрушивающихся на поверхность планеты. Это явление так и называется — широкий атмосферный ливень. Энергия гостьи из космоса делится между многочисленными «потомками». Неудивительно, что каждая вторичная частица несет очень мало энергии. Для нас, живущих на дне воздушного океана, это хорошая новость: широкие атмосферные ливни не опасны. Их можно зафиксировать только с помощью чувствительных детекторов. Но как же все-таки изучать космические лучи, если они теряются в верхних слоях атмосферы? Можно зарегистрировать ливень вторичных частиц и попытаться понять, какую энергию несла исходная частица и с какой стороны она пришла. Другой способ — вообще вынести детектор за атмосферу, установив его на спутнике или МКС. 

Но есть и третий подход. Исходная частица и несколько первых поколений ее потомков движутся сквозь атмосферу быстрее, чем свет. Да, скорость света в вакууме — максимально возможная в природе, но воздух — не вакуум. Сквозь воздух свет движется медленнее, и его можно обогнать. В этом случае «сверхсветовая» частица сама становится источником света. Телескоп, наблюдающий за небом, может уловить вспышку, сигнализирующую, что к нам пожаловал гость из космоса.

Ученые используют все три способа изучения космические лучи, иногда — в комбинации друг с другом. Но открытие, о котором пойдет речь, было сделано с помощью «вспышечной» технологии.

Небесный свет

Обсерватория HESS находится в горах Намибии и принадлежит европейской коллаборации. Вообще-то космические лучи — не ее специализация, но специалисты по космическим лучам не упускают возможность воспользоваться «побочным продуктом». Телескопов всегда меньше, чем задач, и астрономы привыкли выжимать из каждого инструмента все что только можно.

Свежее исследование посвящено энергичным электронам космических лучей. Ученые собрали данные HESS за 12 лет, с декабря 2003 года по июнь 2015-го. Они воспользовались новым алгоритмом, распознающим вспышки, порожденные именно электронами, а не другими частицами.

Результаты оказались впечатляющими и загадочными. Астрономы обнаружили в космических лучах электроны с энергиями вплоть до 40 ТэВ. Предыдущий рекорд для электронов был ниже 5 ТэВ. Чем энергичнее частицы, тем реже они встречаются, так что по мере накопления данных нас, возможно, ждут новые рекорды.

Рядом с тайной

Откуда пришли столь энергичные частицы? Это сложный вопрос. Ускоренные сверх меры электроны могли бы порождаться, например, молодыми нейтронными звездами. Это чудовищные объекты массой со звезду, но размером с город, самые мощные магниты во Вселенной и природные ускорители частиц. Проблема в том, что электроны быстро теряют энергию, двигаясь в межзвездных полях. Так что самые энергичные посланцы космоса едва ли преодолели больше нескольких сотен световых лет. По меркам Галактики это ближайшие окрестности Солнечной системы. Но не похоже, что вблизи Солнца работает несколько отдельных источников частиц, будь то нейтронные звезды или что-то еще. Тогда поток электронов сильно зависел бы от направления. Как бы ни плутали электроны на пути к Земле, больше всего частиц должно приходить с направления на источник, а меньше всего — с противоположного. Кроме того, естественно ожидать, что у каждого источника есть «излюбленная» энергия электронов. Электронов с такой энергией должно быть больше, чем остальных. Так что на графике, показывающем число электронов в зависимости от энергии, должно быть несколько резких пиков. Но в реальности там только один излом — в районе энергии 1 ТэВ. Число частиц медленно уменьшается с ростом энергии вплоть до 1 ТэВ, а потом падение резко ускоряется. Причина этого излома — еще одна загадка. Детально объяснить эти наблюдения только предстоит. 

Исследование еще раз показало, что мы далеко не все знаем даже о ближайших окрестностях Солнечной системы. В одном можно быть уверенным: приходящие оттуда лучи не представляют опасности, если вы не собираетесь проводить выходные в безвоздушном пространстве.