В мае 2021 года международная группа астрономов зарегистрировала в юте (США) необычное событие: на установках обсерватории Telescope Array был зафиксирован ультравысокоэнергетический космический луч, который получил собственное имя — частица Аматэрасу. Это один из самых мощных космических лучей, когда-либо наблюдаемых на Земле, и учёные по-прежнему пытаются определить, откуда именно он мог прийти.
Что такое частица Аматэрасу и почему она уникальна
Космические лучи — это заряженные частицы, в основном протоны или ядра атомов, которые движутся через пространство практически со скоростью света. Большинство таких частиц имеет энергию в диапазоне от миллионов до миллиардов электронвольт, но крайне редко встречаются лучи сверхвысокой энергии (UHECR — ultra-high-energy cosmic rays).
26 мая 2021 года массив детекторов Telescope Array зафиксировал единичную частицу с энергией около 2,44 × 10²⁰ эВ (эксаэлектронвольт) — это более чем в сотни миллионов раз выше энергии частиц, разгоняемых в Большом адронном коллайдере. Из-за своих рекордных характеристик она была названа в честь богини Солнца из японской мифологии — Аматэрасу.
По шкале энергий этот луч является вторым по величине после так называемой «частицы Oh-My-God», зарегистрированной в 1991 году с энергией порядка 3,2 × 10²⁰ эВ, но он остаётся одной из самых необычных событий в наблюдениях космических лучей.
Как регистрируют такие редкие частицы
Установка Telescope Array состоит из сотен наземных детекторов, размещённых на площади около 700 км² в западной пустыне Юты. Эти приборы фиксируют так называемый «атмосферный ливень» — каскад вторичных частиц, возникающий, когда высокоэнергетичный космический луч входит в атмосферу Земли и взаимодействует с молекулами воздуха.
Каждый детектор регистрирует время прихода и величину сигнала, что позволяет реконструировать как энергию прибытия, так и вероятное направление движения первичной частицы. В случае Аматэрасу сигнал был зафиксирован одновременно более чем 20 детекторами, что делает событие высоконадежным.
Загадка направления: пустота и возможные источники
Одной из главных загадок, связанной с Аматэрасу, стало направление, из которого он, по реконструкции, прилетел. Первоначально казалось, что частица пришла из области Local Void — огромной «пустоты» в космосе, где наблюдается крайне мало галактик, звёздных скоплений и других астрономических объектов, способных ускорять частицы до таких энергий. Это противоречило представлениям о том, что источники ультравысокоэнергетичных космических лучей должны быть связаны с активными и мощными астрономическими объектами.
Однако более поздний анализ показывает, что направление возвращения траектории не обязательно указывает на точный источник на небе из-за влияний магнитных полей. Новая статистическая обработка данных, проведённая Франческой Капел и Надин Бурриш из Института физики Макса Планка, предполагает, что происхождение луча, вероятно, шире, чем можно было предположить на основе первоначальной локализации.
Возможные кандидаты на источник
По результатам моделирования, одной из наиболее вероятных областей происхождения частицы Аматэрасу является галактика Cigar (М82) — активная звездообразующая галактика, расположенная примерно на 12 миллионов световых лет от Земли. Эта галактика известна высокими темпами рождения звёзд и активностью, которая может создавать условия для ускорения частиц до экстремальных энергий.
Анализ показывает, что частица могла быть порождена не в пустоте, а в более плотных и активных участках ближнего космоса, что согласуется с тем, что ультра-высокоэнергетичные космические лучи обычно ассоциируются с экстремальными процессами, такими как:
- сверхновые и связанные с ними ударные волны;
- процессы вокруг активных чёрных дыр в ядрах галактик;
- динамика массивных галактик со сверхвысокими магнитными полями.
Современные методы анализа
Для поиска источника Аматэрасу учёные применяют комбинацию физического моделирования и продвинутых статистических методов, таких как Approximate Bayesian Computation. Это позволяет учитывать влияние магнитных полей и неопределённость траекторий частиц при рекурсивной реконструкции их возможных исходных направлений, а не только смотреть на прямую линию движения.
Такой подход уже стал важным инструментом в анализе ультра-высокоэнергетичных космических лучей и позволяет накапливать статистику и данные о возможных источниках этих редких, но важных сигналов из космоса.
Почему это важно
Ультра-высокоэнергетичные космические лучи, такие как Аматэрасу, служат естественными «частицами-посланниками» самых экстремальных физических процессов во Вселенной. Изучение их происхождения даёт учёным возможность:
- понять механизмы ускорения частиц до энергий, недоступных современным ускорителям;
- изучить структуру магнитных полей в галактиках и межгалактическом пространстве;
- выявить процессы, происходящие в активных галактических ядрах и других экстремальных астрономических средах.
Перспективы дальнейших исследований
Несмотря на значительный прогресс, точное происхождение частицы Аматэрасу остаётся областью активных исследований. Продолжение наблюдений с помощью расширенных сетей детекторов, более точные модели магнитных полей и комбинированный анализ наблюдений с разных сторон помогут уточнить происхождение таких редких космических лучей и вывести наше понимание высокоэнергетической астрофизики на новый уровень.
Основные факты
- Частица Аматэрасу — один из самых мощных ультра-высокоэнергетичных космических лучей, зарегистрированных на Земле с энергией порядка >240 эксаэлектронвольт.
- Она была обнаружена в 2021 году в рамках эксперимента Telescope Array в штате Юта (США).
- Первоначально считалось, что частица пришла из абсолютно пустой области Вселенной, но дальнейший анализ указывает на возможный источник вблизи активной галактики М82.
- Продвинутые статистические методы помогают реконструировать возможные направления происхождения с учётом влияния магнитных полей.
- Изучение таких частиц открывает окно в процессы экстремальной физики, происходящие во Вселенной.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
