Десятилетиями астрофизиков преследует вопрос, который, казалось бы, противоречит законам физики, каким мы их знаем: что обладает достаточной мощью, чтобы разгонять субатомные частицы до скоростей, близких к световой, и откуда они берутся?
На Земле наши самые передовые технологии — в частности, Большой адронный коллайдер (LHC) — способны сталкивать атомы с колоссальной энергией. Однако в космическом вакууме существуют космические лучи, мощность которых превышает возможности LHC более чем в 10 миллионов раз. Новое исследование предполагает, что секрет решения этой шестидесятилетней загадки кроется не в протонах, а в атомных ядрах элементов тяжелее железа.
Аномалия «Аматэрасу»
Актуальность решения этой головоломки резко возросла после единичного события в 2021 году. Космическая частица, получившая название «Аматэрасу» (в честь японской богини солнца), ударила по Земле с уровнем энергии, в 40 миллионов раз превышающим энергию частиц, разгоняемых на LHC.
Для сравнения: Аматэрасу несет кинетическую энергию, эквивалентную энергии быстро летящего теннисного мяча, но сжатую в одну-единственную субатомную частицу. В настоящее время это вторая по мощности обнаруженная космическая частица, уступающая лишь печально известной «частице О-мой-Бог» (Oh-My-God particle), зарегистрированной в 1991 году.
Загадка усугубляется траекторией Аматэрасу. Кажется, что она пришла из пустой области космоса, не содержащей очевидных астрофизических источников. Такое несоответствие между колоссальной энергией частицы и отсутствием у нее ясного происхождения давно мучает исследователей.
«Происхождение и механизмы ускорения космических лучей сверхвысоких энергий являются одной из главных загадок этой области науки более 60 лет», — говорит Кота Мурася, руководитель команды из Колледжа наук Эберли Пенсильванского государственного университета.
Почему важен состав частиц
Традиционно ученые полагали, что эти высокоэнергетические частицы — преимущественно протоны или более легкие ядра. Однако новое исследование под руководством Мурася предлагает сменить парадигму: частицы с самой высокой энергией могут оказаться атомными ядрами элементов тяжелее железа.
Это различие критически важно, поскольку различные частицы по-разному взаимодействуют с Вселенной, преодолевая огромные расстояния.
- Потеря энергии: Более легкие частицы, такие как протоны, быстрее теряют энергию при движении сквозь космос из-за взаимодействия с фоновым излучением.
- Выживание самых тяжелых: Моделирования показали, что сверхтяжелые ядра теряют энергию гораздо медленнее, чем их легкие аналоги. Это позволяет им выдерживать космические расстояния и достигать Земли, сохраняя экстремальную энергию.
Если эти события сверхвысоких энергий действительно обусловлены тяжелыми ядрами, это фундаментально меняет подход ученых к поиску их источников. Это означает, что обнаруживаемые нами частицы — не просто случайные обломки, а выжившие в самых жестоких процессах Вселенной.
Источник: космические катаклизмы
Если виновниками являются тяжелые ядра, откуда же они берутся? Ответ, вероятно, кроется в самых экстремальных средах, которые можно себе представить.
Мурася и его коллеги выделяют два основных кандидата:
1. Гибель массивных звезд: Взрывные коллапсы, приводящие к образованию черных дыр или сильно магнитизированных нейтронных звезд.
2. Слияния нейтронных звезд: Столкновение двух нейтронных звезд — события, известные своими мощными гравитационными волнами.
Чтобы понять масштабы насилия таких источников, рассмотрим плотность вещества нейтронной звезды. Одна чайная ложка материала нейтронной звезды весила бы примерно 10 миллионов тонн — это эквивалент 85 000 взрослых синих китов, сжатых в одну ложку. Когда сталкиваются два таких тела, каждое диаметром около 20 километров (12 миль), высвобождаемая энергия способна разгонять тяжелые атомные ядра до скоростей, наблюдаемых у частиц вроде Аматэрасу.
Считается, что эти же взрывные явления питают гамма-всплески — одни из самых энергетически мощных взрывов во Вселенной.
Значение для будущей астрономии
Эта новая теория делает больше, чем просто объясняет отдельные частицы; она предлагает рамки для понимания более широких космических закономерностей.
- Асимметрия неба: Исследование предполагает, что вклад тяжелых ядер может объяснить наблюдаемые различия в спектре космических лучей сверхвысоких энергий между северным и южным небесными полушариями.
- Будущее подтверждение: Если теория верна, будущие данные должны показать, что на самых высоких уровнях энергии состав частиц тяжелее железа.
Определив эти частицы как тяжелые ядра, ученые могут сузить круг поиска источников до конкретных, взрывных астрофизических событий. Это переводит науку из состояния случайных догадок о происхождении в режим прицельного изучения конкретных космических катаклизмов.
Заключение
Частица Аматэрасу — это не просто рекордная аномалия; это подсказка. Поняв, что самые мощные космические лучи могут быть тяжелыми ядрами, а не легкими протонами, ученые определили правдоподобный механизм их выживания и ускорения. Это смещает фокус внимания на слияния нейтронных звезд и коллапсы звезд как на основные двигатели этих высокоэнергетических посланцев, приближая нас к решению одной из самых долгоиграющих загадок астрономии.
