Представьте элементарную частицу, несущую в себе энергию брошенного бейсбольного мяча — около 50 джоулей. Звучит невероятно, но именно такую частицу зарегистрировали физики 15 октября 1991 года и назвали ее «Oh-My-God» — из-за феноменальной энергии ~3×10²⁰ эВ. Этот космический пришелец поставил под сомнение устоявшиеся теории о пределах энергии частиц из космоса. Ученые были ошеломлены: откуда во Вселенной могла прилететь такая мощная энергия? Именно эта загадка разжигает любопытство физиков и астрономов. Исследование сверхвысокоэнергетических космических лучей (Ultra-High-Energy Cosmic Rays, UHECR) стало ключом к пониманию мощнейших процессов во Вселенной. Отправляясь на охоту за этими космическими гигантами, наука надеется найти подсказки к новой физике и глубже понять строение Вселенной.
Что такое высокоэнергетические частицы?
Космические лучи — это поток заряженных субатомных частиц, которые непрерывно достигают Земли со всех уголков Вселенной. Преимущественно это ядра атомов, чаще всего — протоны, а также ядра гелия, углерода или даже более тяжелые элементы вроде железа. Важно понимать: космические лучи охватывают очень широкий спектр энергий — от умеренных до действительно сверхмасштабных. Большинство из них несут энергию в пределах примерно 10⁷–10¹⁰ электронвольт*, однако существуют и редкие представители — высокоэнергетические частицы, или, точнее, высокоэнергетические космические лучи. Они разгоняются до скоростей, приближающихся к скорости света, и могут достигать энергий в диапазоне 10¹⁸–10²⁰ электронвольт и даже выше. Для сравнения: в самом мощном земном ускорителе — Большом адронном коллайдере — частицы набирают до 10¹²–10¹³ эВ, что в миллионы раз меньше. А рекордная космическая частица превзошла энергию LHC примерно в 40 млн раз! Все высокоэнергетические частицы относятся к космическим лучам, но лишь небольшое количество частиц космических лучей достигает таких экстремальных значений энергии — именно они и становятся объектом особого внимания ученых. В научной литературе для еще более высоких энергий существует и термин «сверхвысокоэнергетические космические лучи» (ultra-high-energy cosmic rays, UHECR), что означает частицы с энергиями более ~10¹⁸ электронвольт.
*эВ (электрон-вольт) — энергия, которую получает один электрон, проходя электрическое напряжение в 1 вольт. Итак, 3 × 10²⁰ эВ — это примерно 48 джоулей.
Как же мы замечаем эти невидимые частицы? Когда космический луч врезается в атмосферу Земли, он порождает целый каскад вторичных частиц — так называемый атмосферный ливень. Словно космический бильярд, одна частица выбивает из атомов атмосферы целые группы протонов, пионов, мюонов* и других обломков, которые мчатся к поверхности. Эта лавина может охватывать площадь в несколько километров в диаметре, пока ее энергия не рассеется. Земля служит гигантским детектором: мы не видим сам первичный луч, но можем уловить «дождь» вторичных частиц или слабые вспышки света, которые он вызывает в воздухе. Таким образом, атмосфера выступает своеобразным экраном, на котором проявляются следы космических лучей, позволяя ученым их исследовать.
Поэтому космический луч врезается в атмосферу. От удара образуются пионы.
Пионы быстро распадаются на мюоны. Мюоны долетают до Земли и проходят сквозь нас (без вреда).
*Пион (π-мезон) — это нестабильная частица, состоящая из пары кварк-антикварк. Мюон (μ-мезон) — это тяжелый аналог электрона.
Источники космических лучей
Так какие же астрофизические «двигатели» способны разгонять частицы до таких бешеных энергий? Существует несколько вероятных кандидатов — от взрывных событий до экзотических объектов:
- Сверхновые звезды и их остатки — взрывы сверхновых создают ударные волны, разгоняющие частицы до высоких энергий в пределах нашей Галактики. Быстро движущиеся остатки сверхновых (такие как Крабовидная туманность) считаются естественными ускорителями для «обычных» космических лучей.
- Активные ядра галактик (AGN) — сердца далеких галактик со сверхмассивными черными дырами. Черная дыра, поглощая материю, выбрасывает две мощные релятивистские струи. В этих струях и гигантских радиогалактиках могут разгоняться частицы до экстремальных энергий.
- Пульсары и магнитары — безумно вращающиеся нейтронные звезды, имеющие сверхсильные магнитные поля. Они работают как космические динамо-машины: заряженные частицы могут разгоняться в их электромагнитных полях до огромных скоростей.
- Гамма-всплески — самые мощные взрывы во Вселенной после Большого взрыва. Во время гамма-всплеска за секунды высвобождается колоссальная энергия; потенциально он способен породить космические лучи сверхвысоких энергий.
- Гипотетические источники — если же обычная астрофизика не объяснит всех случаев, на арену выходят экзотические теории. Распад массивных частиц темной материи, столкновение первичных черных дыр или космические струны (топологические дефекты пространства-времени) — все это предлагается как возможные, хотя и спекулятивные, источники самых энергичных космических лучей.
Механизмы ускорения
Иметь мощный источник — лишь полдела. Природе еще нужно ускорить частицу до фантастических скоростей*. Обычная звезда или планета этого сделать не могут — нужны экстремальные космические «ускорители». Основным процессом считается механизм Ферми — своеобразный космический пинбол. Представим заряженную частицу, хаотично блуждающую между движущимися магнитными облаками газа или ударными волнами. Каждый раз, отражаясь от таких магнитных «зеркал», частица набирает немного энергии. Многократное повторение этого процесса — и частица разгоняется до релятивистских скоростей. Ударные волны, например, от сверхновых, обеспечивают первое ускорение Ферми: частица много раз пересекает фронт ударной волны и каждый раз получает дополнительный «толчок» вперед. Так возникает известный пауэр-лоу спектр космических лучей.
*Релятивистская скорость очень близка к скорости света. Обычно релятивистской считают скорость, когда она составляет более ~10% от скорости света, (т.е. более 30 000 км/с). На таких скоростях начинают действовать законы теории относительности Эйнштейна, а классическая (обычная) физика уже не работает.
Но чтобы достичь энергий вроде 10²⁰ эВ, нужны исключительные условия. Чем больше энергия частицы, тем сложнее удержать ее в ускоряющем регионе — она стремится вырваться прочь. Расчеты показывают, что ударная волна обычной сверхновой может разогнать протон максимум до ~~1017 эВ. Это уже предел возможностей такого «двигателя», дальше частица просто убежит. Чтобы дать ей еще три дополнительных порядка энергии, нужен либо значительно больший по размеру ускоритель, либо гораздо более сильное магнитное поле. Этот критерий известен как условие Хилласа: объект должен быть достаточно большим и магнитным, чтобы удержать ультрарелятивистскую частицу. Получается, лишь очень немногие места во Вселенной соответствуют этой планке: либо гигантские по размеру (например, галактические скопления, радиогалактики), либо чрезвычайно «заряженные» магнитно (нейтронные звезды, черные дыры). Ускорить частицу до 10²⁰ эВ — колоссальный вызов даже для природы, своеобразный космический эквивалент построения адронного коллайдера размером с галактику. Именно поэтому каждая такая частица, долетающая до нас, без преувеличения, уникальна.
Как мы их ловим
Охотиться на неуловимых космических гостей ученым помогают специальные обсерватории космических лучей. Самая масштабная из них — Обсерватория Пьера Оже в Аргентине. На площади, большей Люксембурга, расставлен массив из тысячи шестисот водных детекторов.
Когда через атмосферу пролетает космический луч, он порождает лавину частиц, которые достигают земли: детекторы «Оже» фиксируют вспышки черенковского излучения в резервуарах с водой, когда те частицы попадают в них. Одновременно десятки телескопов по периметру следят за ночным небом, улавливая ультрафиолетовое сияние азота, возбужденного пролетающим ливнем. Комбинируя эти данные, ученые могут восстановить направление, энергию и некоторые свойства первичной частицы. В Северном полушарии аналогичную миссию выполняет обсерватория Telescope Array в штате Юта (США), хотя по масштабу она втрое меньше «Оже». Для увеличения шансов поймать экстремально редкие события проектируют еще большие установки. Новые методы тоже в игре: например, наблюдение радиоимпульсов от атмосферных ливней или даже космические аппараты, которые будут обнаруживать космические лучи с орбиты, охватывая взглядом всю Землю. Технологии постоянно совершенствуются, давая «охотникам» все более чувствительные инструменты.
Что это дает науке
Зачем тратить столько усилий на единичные частицы? Дело в том, что высокоэнергетические лучи открывают уникальное окно как в астрофизику, так и в фундаментальную физику. Во-первых, они несут информацию о мощнейших катаклизмах Вселенной. Каждая такая частица — это посланник из окрестностей черной дыры, взрыва сверхновой или другого экстремального события. Уловив достаточно этих посланцев, мы сможем составить карту космических ускорителей и понять, что происходит в далеких галактиках, недоступных телескопам обычного диапазона. Во-вторых, лучи позволяют проверить законы физики при энергиях, недостижимых на Земле. Атмосфера Земли фактически превращается в природный коллайдер: столкновение космического луча с ядрами воздуха — это эксперимент с энергией в сотни раз выше, чем в Большом адронном коллайдере. Изучая продукты этих столкновений (частицы атмосферного ливня), физики могут проверять существующие теории и искать признаки новой физики — например, неожиданные взаимодействия, появление неизвестных частиц или тонкие нарушения фундаментальных симметрий. Некоторые теории предполагают, что такие лучи могут возникать во время распада гипотетических супертяжелых частиц (так называемых топоцентрических или реликтовых частиц), оставшихся из ранней Вселенной. Если бы удалось обнаружить следы такого процесса, это перевернуло бы наше представление о темной материи и эволюции космоса.
Не менее важен и прикладной аспект. Космические лучи всех энергий — это часть космической среды, в которой находится Земля. Они влияют на атмосферную химию, могут выводить из строя электронику спутников и даже вызывать сбои в компьютерах (отдельные сбои памяти связывают с попаданием космических частиц). Понимание этих явлений — важная составляющая космической безопасности. Если человечество стремится к дальним космическим путешествиям, мы должны знать, с какими «дождями» частиц можем столкнуться в открытом космосе и как от них защититься. Данные из обсерваторий помогают отточить модели космической радиации, что важно для безопасности космонавтов и спутников. Наконец, сама технология детектирования слабых сигналов из космоса стимулирует развитие новых инструментов — от сверхбыстрых фотодетекторов до распределенных вычислительных сетей, которые могут найти применение и в других отраслях.
Проблемы и загадки
Сверхвысокоэнергетические космические лучи оставляют после себя больше вопросов, чем ответов. Одна из главных загадок — так называемый предел Грейзена — Зацепина — Кузьмина (предел ГЗК). Теория предполагает, что протоны с энергиями выше ~5×10 км² эВ неизбежно теряют энергию, пролетая через всеобъемлющий «туман» фотонов реликтового излучения (микроволновой фон Вселенной). Взаимодействуя с этими фотонами, ультраэнергетический протон порождает пионы и постепенно тормозится, как шар, летящий сквозь воду. Это означает, что космические лучи экстремальных энергий не должны прилетать к нам с расстояний больше ~100–200 млн св. лет — они бы «растаяли» по дороге. И все же, мы регистрируем частицы, превышающие предел ГОК. Частица «Oh-My-God» — яркий пример такой энергии. Существуют предположения, что источники этих лучей расположены относительно близко к нам, в пределах местного сверхскопления галактик, поэтому протоны не успевают потерять энергию. Другая смелая идея – возможно, на экстремальных энергиях несколько нарушается специальная теория относительности (Лоренц-инвариантность), и частицы преодолевают космос без потерь. Пока что прямых доказательств этому нет, но само появление таких предположений показывает, насколько загадочными являются космические лучи ультравысоких энергий.
Еще одна проблема — преломление траектории. Космические лучи — заряженные частицы, а межгалактическое пространство пронизано магнитными полями. Как компасная стрелка, теряющая ориентацию во время бури, так и луч на пути к Земле многократно отклоняется от прямой. В результате направление, с которого он прилетел, почти ничего не говорит о месте его рождения. Детекторы показали, что самые энергичные частицы приходят практически отовсюду — не наблюдается четких «лучей» или скоплений, по которым можно было бы вычислить конкретную звезду или галактику. Это серьезно затрудняет охоту на источники: представьте, что вы рассматриваете пятно света на стене и пытаетесь догадаться, с какой стороны исходит луч.
Наконец, редкость таких событий заставляет набраться терпения. Поток сверхвысокоэнергетических лучей чрезвычайно мал: по оценкам, частица с энергией свыше 1019 эВ прилетает в среднем раз в год на площадь в один квадратный километр. А на энергиях ~10²⁰ эВ речь идет уже о десятилетиях или даже столетиях на ту же площадь. Поэтому чтобы поймать хотя бы несколько таких «космических снарядов», ученым приходится строить гигантские детекторы и собирать данные годами. Несмотря на все эти трудности — или, скорее, благодаря им — сверхвысокоэнергетические космические лучи остаются одной из самых горячих тем астрофизики: каждый новый образец может стать ключом к разгадке.
Мы только начинаем разгадывать тайны космических гигантов энергии. Каждая пойманная сверхэнергичная частица — как ниточка, ведущая ученых сквозь лабиринт вопросов к пониманию фундаментальных законов природы. Пока что ниточек этих мало, но с каждым годом их становится больше: обсерватории модернизируются, строятся новые установки, а международные коллаборации объединяют усилия ради общей цели. Впереди нас ждут, возможно, громкие события — от определения конкретных источников лучей до, вполне вероятно, открытия явлений вне известной физики.
Оптимизм ученых подкреплен самим фактом существования таких частиц: Вселенная уже продемонстрировала, что способна превзойти наши самые смелые представления. Поэтому можно надеяться, что разгадка не за горами. Охота продолжается, и каждый читатель может стать ее наблюдателем. Стоит только поднять глаза в небо — возможно, именно сейчас сквозь атмосферу где-то пролетает очередная космическая стрела рекордной энергии, неся нам новое знание.
