Ученые из коллаборации "Массив телескопов" обнаружили сверхвысокоэнергетический космический луч. Это открытие ставит под сомнение наши современные представления об экзотических космических явлениях и их происхождении, рассказывается здесь.

В исследовании, опубликованном в журнале Science, исследователи сообщили об обнаружении сверхвысокоэнергетического космического луча (сокращенно UHECR), который демонстрирует уровень энергии примерно 244 эксаэлектронвольт, или примерно 40 Джоулей. Это измерение, проведенное с помощью наземного детектора в штате Юта в США, представляет один из самых высоких уровней энергии, которые когда-либо наблюдались для космических лучей. По словам исследователей, этот уровень энергии примерно в миллион раз выше, чем тот, который могут производить самые мощные ускорители частиц, созданные человеком.

Целью международного проекта "Массив телескопов" является мониторинг "воздушных ливней", вызванных космическими лучами чрезвычайно высокой энергии. Наша планета постоянно подвергается бомбардировке этими космическими лучами, которые не видимы глазу и исходят как из локальных источников в нашей галактике, так и из далеких внегалактических областей. Стоит отметить, что эти космические лучи не вызывают опасений: атмосфера и магнитное поле Земли обеспечивают эффективную защиту от космических лучей, существенно снижая их потенциальную опасность для человека и других форм жизни.

Массив телескопов в штате Юта обнаруживает чрезвычайно редкие высокоэнергетические космические лучи с помощью сети из 507 детекторов, расположенных на площади 700 кв. км. Эти станции улавливают вторичные частицы, образующиеся при попадании космических лучей в атмосферу и создающие большие воздушные ливни (EAS). Система содержит пластиковые сцинтилляторы, которые светятся при прохождении через них заряженных частиц, и флуоресцентные детекторы для измерения энергии EAS. Данные со станций, проанализированные с помощью GPS-тайминга и моделирования, позволяют определить энергию, массу и направление прихода космических лучей, несмотря на то, что они чрезвычайно редко случаются.

Действительно, UHECR, подобные описанным в новом исследовании, невероятно редки и, как считается, возникают в результате наиболее энергичных процессов во Вселенной, таких как черные дыры и гамма-всплески. Из-за редкого появления - менее одного раза в столетие на квадратный километр - для наблюдения этих космических лучей нужны детекторы, занимающие большую площадь. Поэтому событие, которое состоится в мае 2021 года, имеет большое значение для исследований космических лучей.

Источник этого внегалактического космического луча остается загадкой, поскольку направление его прихода не совпадает ни с одним из известных астрономических объектов. Траектория прихода космического луча, расположенного вблизи диска Млечного Пути, позволяет предположить, что он, скорее всего, испытывал лишь незначительные отклонения при прохождении через магнитные поля (которые повсеместно распространены в галактике, будь то крупномасштабные магнитные поля или локальные магнитные поля, создаваемые звездами, остатками сверхновых и другими небесными объектами). Это означает, что космический луч, вероятнее всего, двигался почти прямо от места своего появления, говорят исследователи.

При этом направление его источника не коррелирует ни с одной из известных галактик или астрономических объектов, которые обычно ассоциируются с UHECR. По-видимому, оно возникло из пустоты в структуре Вселенной - пустой области с очень малым количеством галактик. Для любителей астрономии речь идет о Местном войде - пустом промежутке между Местной группой галактик и прилегающими нитями Крупномасштабной структуры; в пределах этой пустоты было зарегистрировано очень мало галактик, ни одна из которых, по мнению исследователей, не способна извергнуть столь мощные космические лучи.

Согласно статье, неожиданная траектория прихода космического луча может быть результатом того, что он был значительно перенаправлен магнитными полями, расположенными ближе к нам, или же он мог происходить от еще не открытого астрономического объекта, находящегося на окраине нашей галактики. Как вариант, эта аномалия может выявить пробелы в нашем нынешнем понимании физики, управляющей такими высокоэнергетическими частицами, считают астрономы.

Для дальнейшего исследования ученые сравнили это событие с другими наблюдаемыми UHECR с энергией выше 100 экса-электронвольт, или ЭЭВ, и обнаружили изотропное распределение, то есть эти космические лучи приходят со всех направлений в пространстве равномерно, не группируясь. Такая изотропная картина добавляет еще один уровень сложности в определении их происхождения.

В прошлом были зафиксированы и другие высокоэнергетические космические лучи: частица с энергией 320 ЭЭВ 1991 года, частица с энергией 213 ЭЭВ 1993 года и частица с энергией 280 ЭЭВ 2001 года - все в Северном полушарии. В Южном полушарии не было зарегистрировано событий выше 166 ЭЭВ. Эти сопоставления крайне важны для понимания распределения и происхождения таких высокоэнергетических событий, поэтому надеемся, что будущие наблюдения позволят получить более глубокое представление и, возможно, выявить новые закономерности или источники.

Хотя это обнаружение важно для исследований космических лучей, оно ставит больше вопросов, чем дает ответов относительно происхождения и механизмов образования этих высокоэнергетических частиц. Результаты, полученные в ходе эксперимента "Массив телескопов", позволяют по-новому взглянуть на тайны Вселенной, но в то же время подчеркивают необъятность непознанного в астрофизике.