Вчені наблизилися до розгадки сигналу з космосу, який десятиліттями не можуть пояснити

• Вчені припускають, що надвисокоенергетичні космічні промені можуть бути ядрами елементів, важчих за залізо, що пояснює їхню високу енергію.
• Нові дослідження зосереджені на злитті нейтронних зірок, які можуть бути джерелом таких частинок, а модернізація обсерваторій дозволить перевірити цю гіпотезу.

Космічні промені з енергією, недосяжною навіть для найбільших земних прискорювачів, десятиліттями ставили астрофізиків у глухий кут. Тепер дослідники припускають, що джерело загадки може ховатися у надважких атомних ядрах.

Одна з найзагадковіших частинок, коли-небудь зафіксованих людством, врізалася в атмосферу Землі у 2021 році. Вона отримала назву "Аматерасу" – на честь японської богині сонця – і несла енергію, що приблизно у 40 мільйонів разів перевищує енергію частинок, які розганяють у CERN на Великому адронному колайдері, розповідає 24 Канал.

Дивіться також На найгарячішій планеті могли вціліти зонди Землі – нове дослідження здивувало науковців

Для порівняння, кінетична енергія цієї єдиної космічної частинки була співставною з енергією тенісного м'яча, що швидко летить. Для субатомної частинки це практично неймовірний показник.

Чому "частинка Аматерасу" спантеличила вчених?

"Аматерасу" стала другою найпотужнішою космічною частинкою за всю історію спостережень після знаменитої "Oh-My-God particle", виявленої ще у 1991 році. Але найбільша проблема полягає не лише у її енергії, а й у походженні. Аналіз траєкторії показав, що вона могла прилетіти з регіону космосу, де немає очевидних джерел настільки потужного випромінювання.

Хочете щодня читати оперативні та якісні новини Додайте 24 Канал у вибрані в Google Додати

Саме це зробило відкриття особливо дивним для астрофізиків.

Нове дослідження, опубліковане у журналі Physical Review Letters, пропонує несподіване пояснення. Команда на чолі з астрофізиком Кота Мурасе (Kohta Murase) припускає, що найенергетичніші космічні промені можуть бути не протонами, як часто вважалося, а ядрами елементів, важчих за залізо.

За словами Мурасе, надвисокоенергетичні космічні промені залишаються однією з найбільших загадок астрофізики вже понад 60 років.

Надвисокоенергетичні космічні промені можуть прискорюватися лише одними з найпотужніших джерел у Всесвіті,
– пояснив учений.

Дослідники давно підозрювали, що джерелом таких частинок можуть бути найекстремальніші події у космосі – наприклад, колапс масивних зірок із формуванням чорних дір або зіткнення нейтронних зірок.

Нейтронні зорі самі по собі є майже немислимими об'єктами. Якщо взяти чайну ложку їхньої матерії, на Землі вона важила б приблизно 10 мільйонів тонн. А тепер варто уявити зіткнення двох таких надщільних тіл діаметром близько 20 кілометрів.

Саме такі катастрофічні події, на думку авторів роботи, можуть викидати у Всесвіт надважкі атомні ядра з колосальною енергією.

Щоб перевірити гіпотезу, команда провела серію комп'ютерних симуляцій. Вчені моделювали, як космічні промені різної маси втрачають енергію під час подорожі крізь міжгалактичний простір.

Що побачили науковці?

Результати показали цікаву закономірність: ядра елементів, важчих за залізо, втрачають енергію значно повільніше, ніж легші частинки. Це означає, що вони мають більше шансів долетіти до Землі, не "розгубивши" свою рекордну енергію дорогою.

Наше дослідження показало, що за енергій, співставних із частинкою Аматерасу, надважкі ядра втрачають енергію повільніше за протони або ядра середньої маси,
– зазначив Мурасе.

Водночас команда не стверджує, що всі надвисокоенергетичні космічні промені складаються саме з надважких ядер. Але якщо хоча б частина таких подій пов'язана з ними, це може суттєво змінити підхід до пошуку їхніх джерел.

Особливу увагу дослідники звертають на злиття нейтронних зірок – події, які також породжують гравітаційні хвилі та найяскравіші гамма-спалахи у Всесвіті, пояснює Space.com. Саме ці космічні катастрофи нині виглядають найперспективнішими кандидатами на роль "гармат", що запускають надпотужні космічні промені у бік Землі.

Що це означає для нас?

На практиці такі космічні промені не становлять прямої загрози людству – атмосфера Землі надійно захищає поверхню планети від більшості високоенергетичних частинок. Коли подібний промінь врізається в атмосферу, він створює цілий "дощ" із вторинних частинок, але до землі доходить лише невелика частина цієї каскадної хвилі.

Однак для науки значення таких відкриттів величезне. Надвисокоенергетичні космічні промені – це своєрідні "посланці" найекстремальніших процесів у Всесвіті. Вони можуть допомогти вченим зрозуміти, як працюють чорні діри, нейтронні зорі та гамма-спалахи – найпотужніші вибухи у космосі.

Крім того, вивчення таких частинок дає фізикам можливість досліджувати енергії, які людство не здатне відтворити навіть на найсучасніших прискорювачах. Наприклад, як повідомляє Science, "частинка Аматерасу" несла енергію понад 240 ексаелектронвольтів – це приблизно у десятки мільйонів разів більше, ніж досягається у Великому адронному колайдері.

Деякі вчені також вважають, що подібні дослідження можуть допомогти перевірити межі сучасної фізики. Якщо властивості таких частинок не вкладатимуться у нинішні теорії, це може стати натяком на існування нової фізики за межами Стандартної моделі.

Як ми взагалі ловимо такі частинки?

Парадокс у тому, що вчені майже ніколи не "бачать" сам космічний промінь напряму. Натомість вони фіксують наслідки його удару по атмосфері Землі.

Коли надвисокоенергетична частинка врізається у верхні шари атмосфери, вона породжує величезний каскад вторинних частинок – так званий атмосферний "дощ". Саме його й реєструють наземні обсерваторії.

Одним із головних інструментів для цього є Pierre Auger Observatory – найбільша у світі обсерваторія космічних променів. Вона використовує два методи одночасно.

• Перший – це величезні резервуари з водою, які вловлюють частинки, що досягають поверхні Землі.
• Другий – спеціальні телескопи, які вночі спостерігають ультрафіолетове світіння в атмосфері, що виникає під час проходження каскаду частинок.

"Частинку Аматерасу" виявила інша установка – Telescope Array Project. Це гігантська мережа з понад 500 детекторів, розташованих у пустелі штату Юта на площі близько 700 квадратних кілометрів. Саме ця система зафіксувала слід від космічного променя у травні 2021 року, як повідомляє сайт Університету Юти.

Художня ілюстрація фіксації енергійного космічного променя мережею детекторів / Фото attheu

Проблема полягає в тому, що такі події надзвичайно рідкісні. Частинки рівня "Аматерасу" можуть прилітати лише раз на десятки або навіть сотні років на кожен квадратний кілометр атмосфери. Саме тому вченим доводиться будувати детектори гігантських масштабів.

Що буде далі з цією гіпотезою?

Наступний етап – перевірити, чи справді найенергетичніші космічні промені складаються з надважких атомних ядер.

Для цього астрофізики планують зібрати значно більше даних про склад космічних променів і точніше визначати напрямки їхнього прибуття. Якщо нова гіпотеза правильна, майбутні спостереження повинні показати, що на найвищих енергіях частинки стають "важчими" за залізо.

Велику роль тут відіграватиме модернізація існуючих обсерваторій. Наприклад, Telescope Array уже розширюють новими детекторами, щоб ловити більше рідкісних подій на кшталт "Аматерасу".

Паралельно дослідники намагаються зіставити напрямки космічних променів із розташуванням потенційних джерел – активних галактик, магнітарів, чорних дір і місць зіткнення нейтронних зірок. Це допоможе зрозуміти, які саме об'єкти здатні розганяти частинки до настільки фантастичних енергій.

Якщо гіпотеза підтвердиться, це стане одним із найважливіших проривів у астрофізиці високих енергій за останні десятиліття – і може змінити наше розуміння того, як працює найекстремальніший Всесвіт.