Загадочные космические лучи сверхвысокой энергии озадачивают астрономов

Загадочные космические лучи сверхвысокой энергии озадачивают астрономов

Отметка времени: 27 ноября 2023 г., 11:12
Исходный узел: 2984042

Обнаружение космических лучей
Богиня Солнца: иллюстрация потока частиц, созданного Аматэрасу, когда он вошел в атмосферу над решеткой телескопов в штате Юта. (Фото любезно предоставлено: Столичный университет Осаки/L-INSIGHT, Университет Киото/Рюуносукэ Такэсигэ)

Обнаружена частица космических лучей с энергией примерно в 36 миллионов раз большей, чем у частиц, ускоренных Большим адронным коллайдером ЦЕРН. Это одна из самых энергичных частиц, когда-либо наблюдавшихся, с энергией 244 ЭВ. Она была обнаружена в 2021 году телескопом в штате Юта. Хотя космические лучи сверхвысокой энергии (UHECR), вероятно, были созданы в результате бурного астрофизического процесса, исследователи не смогли проследить их происхождение.

Исследователи назвали частицу Аматэрасу, которая является богиней Солнца в японской мифологии. Текущий энергетический рекорд UHECR составляет 320 ЭВ и принадлежит частице «Oh-My-God», которая была обнаружена в 1991 году в штате Юта предшественником Telescope Array.

UHECR — это субатомные частицы, такие как протоны, которые имеют энергию более 1 ЭэВ (1018 эВ). Хотя кажется, что они пришли из-за пределов Млечного Пути, их происхождение до сих пор плохо изучено из-за редкости их наблюдения на Земле.

Космическое отключение

В поисках происхождения UHECR астрономы извлекают выгоду из явления, называемого обрезанием Грейзена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК). Это происходит потому, что UHECR с энергией выше примерно 60 ЭВ взаимодействуют с космическим микроволновым фоном во время путешествия в космосе, теряя при этом энергию. Это означает, что частицы этих более высоких энергий не могли пройти дальше, чем примерно 300 миллионов световых лет, прежде чем достичь Земли.

Несмотря на это отключение, международная команда, обнаружившая Аматэрасу не знает происхождения частицы, согласно Тосихиро Фуджи из японского столичного университета Осаки, который первым заметил свидетельства существования UHECR в данных телескопической решетки.

«Мы обнаружили эту новую загадку», — сказал он, отметив, что частица не коррелирует ни с одним известным астрофизическим объектом. Пишу в журнале Наука, команда предполагает несколько возможных источников происхождения Аматэрасу.

Тьма и свет

Глядя на границу GZK и предполагая, что частица была отклонена магнитным полем Млечного Пути, одним из возможных источников является галактика NGC 6946. Она находится на расстоянии около 25 миллионов световых лет и известна своим потрясающим звездообразованием и многочисленными сверхновыми. Однако астрономы не наблюдали гамма-лучи или рентгеновские лучи от галактики. Наблюдение этого излучения предполагает наличие астрофизического объекта, способного ускорять UHECR. Аматэрасу также можно проследить до Местной Пустоты, близлежащей области с необычно низкой плотностью галактик. Но опять же, там нет объекта, который можно было бы идентифицировать как источник.

По мнению команды, другая возможность заключается в том, что наше неполное понимание физики элементарных частиц за пределами Стандартной модели может означать, что Аматерасу путешествовала дальше, чем позволяло ограничение GZK. Если это так, то, возможно, источник UHECR находится настолько далеко, что мы не можем обнаружить его электромагнитное излучение.

По словам Фуджи, самым экзотическим возможным источником Аматэрасу является «темный ускоритель» — гипотетический объект, который испускает UHECR, но не испускает другого излучения.

Несмотря на открытия и предположения, Рафаэль Алвес БатистаОб этом рассказал астрофизик Мадридского автономного университета. Мир физики что наблюдение не выявило «ничего нового» в отношении UHECR.

«Я консерватор в том смысле, что не стал бы прибегать к каким-либо объяснениям, выходящим за рамки Стандартной модели», — говорит он. «У нас есть астрофизические объекты, которые действительно могут генерировать космические лучи высокой энергии. Мы просто не знаем, как это происходит, или где находятся эти объекты, или какие объекты это делают».

Он также отмечает, что астрономы очень плохо понимают магнитные поля за пределами Млечного Пути, что очень затрудняет возвращение назад.

Полная неопределенность

«В нашей галактике мы на самом деле не знаем [галактического магнитного поля], но, по крайней мере, мы знаем, что оно находится в определенных пределах. Но что касается внегалактических магнитных полей, это совершенно неопределенно», — сказал Батиста.

И Фуджии, и Батиста согласны с тем, что необходимы дополнительные наблюдения за этими редкими событиями, прежде чем мы сможем начать понимать происхождение UHECR. Также необходимы улучшения в нашем понимании внегалактических магнитных полей.

Некоторые из этих наблюдений наверняка будут сделаны с помощью массива телескопов. Это крупнейший детектор космических лучей в северном полушарии, и в настоящее время его площадь расширяется, чтобы в четыре раза увеличить его нынешнюю площадь.

Сегодня такие частицы, как Аматэрасу, обнаруживаются примерно раз в 15 лет, но Фуджи говорит, что усовершенствования телескопической решетки могут сократить это число до одного раза в четыре года.

Исследование описано в Наука.

Отметка времени:

Больше от Мир физики