Астрофизики нашли неоднородность в направлении прилета высокоэнергетических космических лучей

В направлении прилета высокоэнергетических космических лучей найдена неоднородность. Тем самым сделан важный шаг к решению вопроса об их происхождении. Авторы открытия, коллаборация Обсерватории космических лучей имени Пьера Оже, включающая в себя 400 специалистов из 16 стран, пришли к выводу, что лучи рождаются за пределами Млечного пути. Статья опубликована в журнале Science.

Космические лучи представляют собой ядра атомов, которые движутся в космическом пространстве и обладают самыми высокими энергиями, наблюдаемыми в природе. Энергия некоторых частиц намного превышает ту, которой можно добиться с помощью современных ускорителей — она варьируется от 10⁹ до 10²⁰ электронвольт.

О существовании космических лучей стало известно еще 50 лет назад, однако механизмы, приводящие к их появлению, до сих пор остаются неизвестными. Чтобы выяснить это, астрономы попытались определить направления, откуда частицы приходят на Землю.

Космические лучи с энергиями более 10¹⁸ электронвольт очень редко достигают поверхности нашей планеты. Плотность потока составляет примерно одну частицу на квадратный километр в год, что эквивалентно одному лучу, падающему на футбольное поле раз в столетие. Кроме того, когда космический луч достигает атмосферы Земли, энергия, которую он несет, рассеивается за несколько миллионных долей секунды.

Тем не менее, высокоэнергетические частицы можно поймать благодаря широким атмосферным ливням. Это каскадная реакция, которая возникает во время столкновения космического луча с газовой оболочкой нашей планеты. Первичные частицы из космоса вступают во взаимодействие с воздухом, в результате чего рождаются потоки адронов и вторичных частиц.

Широкие атмосферные ливни распространяются в атмосфере со скоростями, близкими к световым, принимая форму диска диаметром несколько километров. Обычно они содержат более 10 миллиардов частиц.

Авторы новой работы вели наблюдения в обсерватории космических лучей Пьер Оже, которая находится в Аргентине. Астрофизики регистрировали черенковское свечение (эффект Вавилова—Черенкова), которое вызывается в прозрачной среде заряженной частицей.

Согласно теории относительности, ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы высоких энергий, не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Однако в прозрачных средах свет движется с меньшей скоростью: в стекле или в воде, например, он распространяется со скоростью, составляющей 60–70 процентов от скорости света в вакууме. В таком случае ничто не мешает быстрой частице (например, протону или электрону) двигаться быстрее света в этой среде — это и порождает черенковское свечение. Измеряя его, можно узнать энергию частиц.

Детекторы обсерватории представляют собой бассейны с 12 тоннами воды. Вместе они образуют решетку из 1600 объектов, которая покрывает площадь около трех тысяч квадратных километров. Кроме того, в обсерватории установлены инструменты, регистрирующие флюоресцентное свечение атмосферного азота, которое появляется при прохождении ливня. Когда частицы атмосферного ливня достигают Земли, детекторы регистрируют сигналы неодновременно, что позволяет определить их источник с точностью до одного градуса.

Исследователи изучили около 30 тысяч космических лучей с энергиями выше 8×10¹⁸ электронвольт и обнаружили анизотропию в направлениях, откуда они пришли.Это значит, что высокоэнергетические частицы не приходят равномерно со всех сторон: есть область, из которой лучи с высокими энергиями прилетают примерно на 6 процентов чаще.

Статистическая значимость открытия составила 5,2 сигма (шанс ошибки 2 к 10 миллионам). Расчеты исследователей показали, что космические лучи приходят из участка Вселенной за пределами Млечного пути — максимум потока находится в 120 градусах от его центра, где плотность галактик относительно велика. Однако несмотря на то, что анализ напрямую указывает на внегалактическую природу частиц, точно определить их источник исследователи не могут.

В первую очередь, это связано тем, что космические лучи преломляются во встречающихся на пути магнитных полях Млечного пути и межгалактического пространства. Угол преломления может составлять до нескольких десятков градусов и, зная магнитное поле нашей Галактики, мы бы могли восстановить истинное направление прилета лучей. Тем не менее, современные модели Млечного пути несовершенны и не позволяют нам это сделать.

Несмотря на это, авторы статьи подчеркивают важность открытия. «Мы на шаг приблизились к разгадке важной для астрофизиков загадки о том, где и как рождаются эти необычные частицы», — сообщает профессор Карл-Хайнс Камперт, официальный представитель коллаборации Обсерватории космических лучей имени Пьера Оже.

Стоит отметить, что ученым удалось обнаружить лучи с высокой кинетической энергией, которые будут испытывать меньшее отклонение в магнитном поле и могут более точно указать на источник. Однако они встречаются еще реже, поэтому более точные результаты будут представлены не скоро — для сравнения, текущий эксперимент занял 12 лет.

Кристина Уласович