Изломы и всплески далекого космоса

В конце ноября в журнале Nature вышла статья с первыми результатами обсерватории DAMPE, новейшего орбитального детектора космических лучей. В тот же самый день в архиве препринтов вышло аж пять(!) теоретических статей, предлагающих объяснения тем неожиданным особенностям, которые проступали в новых данных. Плотный поток теоретических работ шел еще несколько дней, после чего несколько иссяк. Сейчас, по прошествии трех недель, самое время перевести дух и понять, что сулят новые результаты.

Спектры космических пришельцев

Космические лучи — это протоны, электроны и другие частицы, которые прилетают к нам из далекого космоса, из-за пределов Солнечной системы или даже из других галактик. Эти частицы разгоняются космическими «ускорителями» до больших энергий (пример того, как это происходит, разобран в задаче Степенная зависимость из ничего). А это значит, что они могут рассказать нам о том, какие условия существуют и какие процессы протекают в родительском астрофизическом объекте. В общем, космические лучи — это шикарный дополнительный инструмент, с помощью которого мы можем изучать Вселенную.

Проблема лишь в том, что, в отличие от обычной оптической астрономии, мы не видим те объекты, которые производят космические лучи. Мы лишь чувствуем их присутствие. Так получается потому, что заряженные частицы летят сквозь Вселенную не по прямой, а петляют в хаотических магнитных полях как внутри галактики, так и в межгалактическом пространстве (полюбуйтесь на рисунок 2 в этой новости). Когда космические лучи достигают Земли, они прилетают совершенно с произвольного направления, а вовсе не указывают на источник. Словно в «космическом тумане», мы регистрируем космические лучи, но не знаем, кто и где их породил.

Но можем ли мы тогда вообще что-то узнать о породивших их объектах? Ситуация не столь безнадежна, как может показаться поначалу. Нам для измерения доступен очень широкий диапазон энергий космических лучей. Обычно его представляют в виде спектра — графика зависимости потока частиц от их энергий. Астрофизические моделирования предсказывают, что типичный спектр космических лучей имеет степенной вид: поток уменьшается с ростом энергии по степенному закону с дробным показателем (снова рекомендуем полистать задачу Степенная зависимость из ничего). Однако для каждого механизма разгона эта степенная зависимость имеет предел по энергии — и за ним спектр обрывается, резко уходит вниз. Поэтому если мы обнаружим спектральный излом вниз, это станет сигналом, что мы нащупали энергетическую границу, до которой «добивает» какой-то вполне определенный космический механизм ускорения частиц. Потом, сопоставляя наблюдения с численным моделированием, теоретики выясняют, какие астрофизические объекты породили этот поток частиц. В общем, спектральные изломы — это «наше все».

Кроме изломов, астрофизики охотятся за еще более интересными особенностями спектра — узкими всплесками за фоне плавной зависимости. Если вдруг выяснится, что поток космических лучей при каком-то значении энергии заметно превышает поток при соседних энергиях, это сигнализирует о новом механизме возникновения частиц, который на обычные астрофизические процессы не спишешь. Главными «подозреваемыми» тут станут частицы темной материи. Хотя Вселенная заполнена темной материей, мы пока не знаем, из какого сорта частиц она состоит. Физики ищут эти частицы давно и самыми разными способами, но пока безуспешно. Так вот, всплеск в спектре космических лучей вполне может возникнуть из-за того, что частицы темной материи сталкиваются друг с другом и аннигилируют. Поэтому каждый намек на необъяснимый бугорок в спектрах любого сорта частиц вызывает ажиотаж у теоретиков — ведь это может стать началом новой эпохи в астрофизике.

Обратимся теперь к реальным данным наблюдений (Рисунок 1). В спектре протонов спектральные изломы давно известны и широко исследуются. Никаких резких всплесков, которые могла бы породить темная материя, не видно. А вот с электронами ситуация сложнее. Во-первых, данных тут меньше: поток электронов слабее потока протонов, падает с энергией круче, и измерен только до энергий около 1 тераэлектронвольта (в спутниковых обсерваториях) или десятка тераэлектронвольт (наземными гамма-телескопами). Наземные установки, и прежде всего телескопы H.E.S.S. и VERITAS, видят намек на излом, причем как раз в районе 1 тераэлектронвольта, на самом краю орбитальных измерений (более подробное описание ситуации смотрите здесь). Но эти данные опосредованные, поэтому их необходимо подтвердить новыми спутниковыми измерениями.

Для этой задачи в 2015 году было запущено сразу два конкурирующих орбитальных детектора нового поколения: японский спутник CALET и китайская обсерватория DAMPE (это, к слову, первый астрофизический спутник Китая). Они успешно вышли на орбиту и приступили к наблюдениям, а соответствующие коллаборации начали обработку данных. И наконец, совсем недавно, появились первые статьи.

Что увидел DAMPE

В ноябре обе коллаборации опубликовали свои первые результаты: сначала CALET, потом DAMPE. Оба детектора. несмотря на различающуюся технологию, способны надежно регистрировать электроны и позитроны вплоть до энергии 20 тераэлектронвольт. В своих первых данных они до таких энергий пока не добрались, но рубеж в 1 тераэлектронвольт уверенно перешагнули: детектор CALET дошел до 3 тераэлектронвольт, DAMPE — до 4,6 тераэлектронвольта. Но вот только результаты у них различаются: коллаборация CALET излом не нащупала, а DAMPE — уверенно его обнаружила и бодро об этом рапортовала. Спектр космических электронов, полученный DAMPE, показан на Рисунке 2; более подробное сравнение результатов можно найти здесь. Причины расхождения пока не установлены, однако по совокупности признаков астрофизическое сообщество склоняется к тому, что излом действительно обнаружен, причем там, где его видели наземные гамма-телескопы.

И вот тут начинается неожиданное. В даных DAMPE на фоне довольно плавного излома выделяется резкий всплеск при энергии 1,4 тераэлектронвольта. Такой узкий пик — заявка на сенсацию: именно так могут выглядеть следы распада частиц темной материи с массой 2,8 тераэлектронвольта на электрон-позитронные пары, либо аннигиляция двух частиц темной материи с массой 1,4 тераэлектронвольта. Получается, перед нами — первое прямое свидетельство существования частиц темной материи?!

Увы, не так все просто. В истории физики частиц накопилось уже немало примеров, когда впечатляющие поначалу всплески на поверку оказывались игрой случая, банальной статистической флуктуацией. Достаточно вспомнить недавний двухфотонный пик, на котором обожглась не одна сотня теоретиков. Надо сказать, что и нынешний пик при 1,4 тераэлектронвольта выглядит не слишком похожим на реальный эффект: он затрагивает только одну изолированную точку, а две точки по обеим сторонам от нее, наоборот, лежат чуть ниже плавной кривой. Поэтому коллаборация DAMPE проявила поистине буддийское спокойствие и в исходной статье вообще этот всплеск обошла молчанием. Однако она одновременно подготовила и вторую статью с подробным обсуждением возможных объяснений этого пика.

Однако перед тем, как пускаться в объяснения, полезно задаться вопросом: какова статистическая значимость этой аномалии? Сама коллаборация на этот вопрос ответа не дала, но на основе представленных данных можно попробовать ответить на этот вопрос самостоятельно. Такой анализ был проделан в статье, появившейся на днях в архиве препринтов. Результат: глобальная статистическая значимость составляет скромные 2,3σ. Иными словами, какой бы кричащей ни казалась эта аномалия, с точки зрения честной статистики пока нет оснований заявлять даже об «указании на существование нового эффекта», не то что об открытии.

О чем пишут теоретики

Впрочем, отсутствие уверенных заявлений со стороны экспериментаторов еще никогда не останавливало теоретиков от собственной интерпретации данных. Поэтому прямо в день выхода статьи DAMPE теоретики ринулись обсуждать, какие модели темной материи могут описать результаты — в предположении, конечно, что всплеск при 1,4 тераэлектронвольта реален.

Сразу подчеркнем, что задача эта не такая уж и тривиальная. Во-первых, пик выглядит узким, а вовсе не размытым по энергии. Это значит, что гипотетический источник электронов должен находиться, в галактических масштабах, поблизости от нас, на расстоянии не более нескольких сотен парсек. Если источник существенно дальше, то разогнанные им электроны потеряют энергию на излучение, петляя в галактическом магнитном поле на пути к Земле. Во-вторых, в протонных спектрах не видно никаких аномалий — значит, процесс аннигиляции или распада частиц темной материи должен отдавать предпочтение именно электронам. В-третьих, надо убедиться, что предложенные объяснения не приводят к слишком сильному рассеянию частиц темной материи на ядрах обычного вещества — ведь иначе мы бы давно обнаружили их с помощью прямых поисков частиц темной материи.

Поэтому если уж в самом деле считать, что это следы темной материи, то они должны идти от не от всего гало нашей Галактики, — оно слишком большое, — а от какого-то компактного и локального по галактическим меркам облака темной материи. Более того, его плотность должна быть в несколько раз больше средней по Галактике; см. подробный анализ во второй статье коллаборации DAMPE. Аналогичный вывод был сделан и в многочисленных статьях теоретиков. Для иллюстрации на Рисунке 3 показаны расчеты спектра в рамках одной теоретической модели для трех разных расстояний до источника: 100 парсек, 300 парсек, и 1 килопарсек. Видно, что только при близких расстояниях от источника всплеск может быть столь узким. Уже при расстоянии в 300 парсек он размывается в широкий пик, непохожий на результат DAMPE.

Что касается теоретических моделей, то здесь набор возможностей широк, но все они так или иначе вынуждены объяснять предпочтение, отдаваемое электронам. Многие авторы для этого предполагают существование новых взаимодействий, к которым особенно чувствительны именно электроны, но не другие частицы. При обычных энергиях мы эти взаимодействия не замечаем, поскольку их частицы-переносчики очень тяжелые, но именно через них могут аннигилировать частицы темной материи (которые приходится постулировать дополнительно). Примеры таких моделей даны в статьях (одна, другая и третья). Кроме того, если частицы темной материи — новые тяжелые нейтрино, то они могут медленно распадаться с испусканием электронов и позитронов (смотрите, например, эту статью).

Еще одна статья подошла к задаче слегка иначе. Вместо того чтобы предлагать конкретные модели, авторы выписали вообще все возможные классы теоретических моделей (их оказалось 20) и проанализировали, каких из них сразу закрываются другими данными, а какие еще жизнеспособны (таких осталось ровно половина). Интересны также попытки объяснить в рамках одной модели и пик DAMPE, и еще один недавний намек на темную материю — рентгеновскую линию при 3,55 килоэлектронвольта, остающуюся пока без объяснения. Автор другой работы показывает, что это можно сделать, если предположить, что темная материя включает в себя несколько сортов частиц с очень близкими, но не строго одинаковыми массами (такие ситуации часто встречаются в теории). Тогда аннигиляция приведет к всплеску DAMPE, а превращение чуть более тяжелой частиц в легкую приведет к излучению рентгеновского фотона.

Наконец, несколько статей обсуждают и иные варианты происхождения узкого пика, вызванного именно астрофизическими процессами, а не темной материей. Сама коллаборация DAMPE сообщает, что на роль источника аномалии могут претендовать и пульсары, причем без каких-то экстремальных требований на их характеристики. Другая статья анализирует судьбу острых спектральных особенностей при распространении электронов по Галактике и сообщает, что кратковременные астрофизические события взрывного характера тоже могут привести к аналогичными результатам. В обоих случаях авторы предсказывают, что рано или поздно будет обнаружена анизотропия прихода электронов с такой энергией.

Вариантов объяснений много, и они нуждаются в проверке. К счастью, ждать ее не так долго. Обе космические обсерватории нового поколения, CALET и DAMPE, продолжают набор данных и через год-два обновят свои результаты. Погрешности уменьшатся, спектры станут четче, и, если аномалия останется, она тоже обострится. Кроме того, уже сейчас некоторые модели предсказывают другие наблюдаемые сигналы: анизотропию электронов, аномальное отношение позитронов к электронам, — а с космическими позитронами, к слову, и без того все запутано, — а также возможные сигналы в гамма-астрономии и в потоке нейтрино высоких энергий. Все эти данные будут постепенно поступать, и совокупными усилиями всего астрофизического сообщества, в духе всесигнальной астрономии, мы лучше поймем природу космических электронов.

Игорь Иванов