Уявіть елементарну частинку, що несе в собі енергію кинутого бейсбольного м’яча — близько 50 джоулів. Звучить неймовірно, але саме таку частинку зареєстрували фізики 15 жовтня 1991 року і назвали її «Oh-My-God» — через феноменальну енергію ~3×10²⁰ еВ. Цей космічний прибулець поставив під сумнів усталені теорії про межі енергії частинок із космосу. Науковці були приголомшені: звідки у Всесвіті могла прилетіти така потужна енергія? Саме ця загадка розпалює цікавість фізиків і астрономів. Дослідження надвисокоенергетичних космічних променів (Ultra-High-Energy Cosmic Rays, UHECR) стало ключем до розуміння найпотужніших процесів у Всесвіті. Вирушаючи на полювання за цими космічними гігантами, наука сподівається знайти підказки до нової фізики та глибше збагнути будову Всесвіту.
Що таке високоенергетичні частинки?
Космічні промені — це потік заряджених субатомних частинок, які безперервно досягають Землі з усіх куточків Всесвіту. Переважно це ядра атомів, найчастіше — протони, а також ядра гелію, вуглецю чи навіть важчі елементи на кшталт заліза. Важливо розуміти: космічні промені охоплюють дуже широкий спектр енергій — від помірних до справді надмасштабних. Більшість із них несуть енергію у межах приблизно 10⁷–10¹⁰ електронвольт*, однак існують і рідкісні представники — високоенергетичні частинки, або, точніше, високоенергетичні космічні промені. Вони розганяються до швидкостей, що наближаються до швидкості світла, і можуть досягати енергій у діапазоні 10¹⁸–10²⁰ електронвольт і навіть вище. Для порівняння: у найпотужнішому земному прискорювачі — Великому адронному колайдері — частинки набирають до 10¹²–10¹³ еВ, що у мільйони разів менше. А рекордна космічна частинка перевершила енергію LHC приблизно у 40 млн разів! Усі високоенергетичні частинки належать до космічних променів, але лише невелика частинка космічних променів досягає таких екстремальних значень енергії — саме вони й стають об’єктом особливої уваги вчених. У науковій літературі для ще вищих енергій існує й термін «надвисокоенергетичні космічні промені» (ultra-high-energy cosmic rays, UHECR), що означає частинки з енергіями понад ~10¹⁸ електронвольт.
*еВ (електрон-вольт) — енергія, яку отримує один електрон, проходячи електричну напругу в 1 вольт. Отже, 3 × 10²⁰ еВ — це приблизно 48 джоулів.
Як же ми помічаємо ці невидимі частинки? Коли космічний промінь врізається в атмосферу Землі, він породжує цілий каскад вторинних частинок — так звану атмосферну зливу. Немов космічний більярд, одна частинка вибиває з атомів атмосфери цілі групи протонів, піонів, мюонів* та інших уламків, які мчать до поверхні. Ця лавина може охоплювати площу в кілька кілометрів у діаметрі, поки її енергія не розсіється. Земля слугує гігантським детектором: ми не бачимо сам первинний промінь, але можемо вловити «дощ» вторинних частинок або слабкі спалахи світла, які він викликає у повітрі. Таким чином, атмосфера виступає своєрідним екраном, на якому проявляються сліди космічних променів, дозволяючи науковцям їх дослідити.
Тож космічний промінь врізається в атмосферу. Від удару утворюються піони.
Піони швидко розпадаються на мюони. Мюони долітають аж до Землі та проходять крізь нас (без шкоди).
*Піон (π-мезон) — це нестабільна частинка, що складається з пари кварк-антикварк. Мюон (μ-мезон) — це важкий аналог електрона.
Джерела космічних променів
То які ж астрофізичні «двигуни» здатні розганяти частинки до таких шалених енергій? Існує кілька ймовірних кандидатів — від вибухових подій до екзотичних об’єктів:
- Наднові зорі та їхні залишки — вибухи наднових створюють ударні хвилі, що розганяють частинки до високих енергій у межах нашої Галактики. Швидкорухомі залишки наднових (такі як Крабоподібна туманність) вважаються природними прискорювачами для «звичайних» космічних променів.
- Активні ядра галактик (AGN) — серця далеких галактик із надмасивними чорними дірами. Чорна діра, поглинаючи матерію, викидає два потужні релятивістські струмені. У цих струменях і гігантських радіогалактиках можуть розганятися частинки до екстремальних енергій.
- Пульсари та магнітари — нейтронні зорі, що шалено обертаються і мають надсильні магнітні поля. Вони працюють як космічні динамо-машини: заряджені частинки можуть розганятися в їхніх електромагнітних полях до величезних швидкостей.
- Гамма-сплески — найпотужніші вибухи у Всесвіті після Великого вибуху. Під час гамма-сплеску за секунди вивільняється колосальна енергія; потенційно він здатний породити космічні промені надвисоких енергій.
- Гіпотетичні джерела — якщо ж звичайна астрофізика не пояснить усіх випадків, на арену виходять екзотичні теорії. Розпад масивних частинок темної матерії, зіткнення первинних чорних дір або космічні струни (топологічні дефекти простору-часу) — все це пропонується як можливі, хоча й спекулятивні, джерела найенергійніших космічних променів.
Механізми прискорення
Мати потужне джерело — лише пів справи. Природі ще потрібно прискорити частинку до фантастичних швидкостей*. Звичайна зоря чи планета цього зробити не можуть — потрібні екстремальні космічні «прискорювачі». Основним процесом вважається механізм Фермі — своєрідний космічний пінбол. Уявімо заряджену частинку, що хаотично блукає між рухомими магнітними хмарами газу чи ударними хвилями. Щоразу, відбиваючись від таких магнітних «дзеркал», частинка набирає трошки енергії. Багаторазове повторення цього процесу — і частинка розганяється до релятивістських швидкостей. Ударні хвилі, наприклад, від наднових, забезпечують перше прискорення Фермі: частинка багато разів перетинає фронт ударної хвилі й щоразу отримує додатковий «поштовх» вперед. Так виникає відомий пауер-лоу спектр космічних променів.
*Релятивістська швидкість дуже близька до швидкості світла. Зазвичай релятивістською вважають швидкість, коли вона становить понад ~10% від швидкості світла, (тобто понад 30 000 км/с). На таких швидкостях починають діяти закони теорії відносності Ейнштейна, а класична (звичайна) фізика вже не працює.
Але щоб досягти енергій на кшталт 10²⁰ еВ, потрібні виняткові умови. Чим більша енергія частинки, тим складніше втримати її в прискорювальному регіоні — вона прагне вирватися геть. Розрахунки показують, що ударна хвиля звичайної наднової може розігнати протон максимум до ~1017 еВ. Це вже межа можливостей такого «двигуна», далі частинка просто втече. Щоби дати їй ще три додаткових порядки енергії, потрібен або значно більший за розміром прискорювач, або набагато сильніше магнітне поле. Цей критерій відомий як умова Хілласа: об’єкт має бути достатньо великим і магнітним, аби утримати ультрарелятивістську частинку. Виходить, лише дуже небагато місць у Всесвіті відповідають цій планці: або гігантські за розміром (наприклад, галактичні скупчення, радіогалактики), або надзвичайно «заряджені» магнітно (нейтронні зорі, чорні діри). Прискорити частинку до 10²⁰ еВ — колосальний виклик навіть для природи, своєрідний космічний еквівалент побудови адронного колайдера розміром із галактику. Саме тому кожна така частинка, що долітає до нас, без перебільшення, унікальна.
Як ми їх ловимо
Полювати на невловних космічних гостей науковцям допомагають спеціальні обсерваторії космічних променів. Наймасштабніша з них — Обсерваторія П’єра Оже в Аргентині. На площі, більшій за Люксембург, розставлений масив із тисячі шестисот водних детекторів.
Коли через атмосферу пролітає космічний промінь, він породжує лавину частинок, які досягають землі: детектори «Оже» фіксують спалахи черенковського випромінювання у резервуарах з водою, коли ті частинки влучають у них. Одночасно десятки телескопів по периметру стежать за нічним небом, вловлюючи ультрафіолетове сяйво азоту, збудженого пролітаючою зливою. Комбінуючи ці дані, вчені можуть відновити напрям, енергію та деякі властивості первинної частинки. У Північній півкулі аналогічну місію виконує обсерваторія Telescope Array у штаті Юта (США), хоча за масштабом вона утричі менша від «Оже». Для збільшення шансів піймати екстремально рідкісні події проєктують ще більші установки. Нові методи теж у грі: наприклад, спостереження радіоімпульсів від атмосферних злив або навіть космічні апарати, що виявлятимуть космічні промені з орбіти, охоплюючи поглядом всю Землю. Технології постійно вдосконалюються, даючи «мисливцям» дедалі чутливіші інструменти.
Що це дає науці
Навіщо витрачати стільки зусиль на одиничні частинки? Річ у тім, що високоенергетичні промені відкривають унікальне вікно як в астрофізику, так і в фундаментальну фізику. По-перше, вони несуть інформацію про найпотужніші катаклізми Всесвіту. Кожна така частинка — це посланець із околиць чорної діри, вибуху наднової чи іншої екстремальної події. Вловивши достатньо цих посланців, ми зможемо скласти карту космічних прискорювачів і зрозуміти, що відбувається в далеких галактиках, недоступних телескопам звичайного діапазону. По-друге, промені дозволяють перевірити закони фізики при енергіях, недосяжних на Землі. Атмосфера Землі фактично перетворюється на природний колайдер: зіткнення космічного променя з ядрами повітря — це експеримент з енергією у сотні разів вищою, ніж у Великому адронному колайдері. Вивчаючи продукти цих зіткнень (частинки атмосферної зливи), фізики можуть перевіряти існуючі теорії та шукати ознаки нової фізики — наприклад, несподівані взаємодії, появу невідомих частинок або тонкі порушення фундаментальних симетрій. Деякі теорії припускають, що такі промені можуть виникати під час розпаду гіпотетичних суперважких частинок (так званих топоцентричних або реліктових частинок), що залишилися з раннього Всесвіту. Якби вдалося виявити сліди такого процесу, це перевернуло б наше уявлення про темну матерію й еволюцію космосу.
Не менш важливий і прикладний аспект. Космічні промені всіх енергій — це частина космічного середовища, в якому перебуває Земля. Вони впливають на атмосферну хімію, можуть виводити з ладу електроніку супутників і навіть спричиняти збої в комп’ютерах (окремі збої пам’яті пов’язують із потраплянням космічних частинок). Розуміння цих явищ — важлива складова космічної безпеки. Якщо людство прагне до далеких космічних подорожей, ми маємо знати, з якими «дощами» частинок можемо зіткнутися у відкритому космосі та як від них захиститися. Дані з обсерваторій допомагають відточити моделі космічної радіації, що важливо для безпеки космонавтів і супутників. Нарешті, сама технологія детектування слабких сигналів з космосу стимулює розвиток нових інструментів — від надшвидких фотодетекторів до розподілених обчислювальних мереж, що можуть знайти застосування і в інших галузях.
Проблеми та загадки
Надвисокоенергетичні космічні промені залишають по собі більше запитань, ніж відповідей. Одна з головних загадок — так звана межа Грейзена — Зацепіна — Кузьміна (межа ГЗК). Теорія передбачає, що протони з енергіями вище ~5×10 км² еВ неминуче втрачають енергію, пролітаючи через всеосяжний «туман» фотонів реліктового випромінювання (мікрохвильовий фон Всесвіту). Взаємодіючи із цими фотонами, ультраенергетичний протон породжує піони й поступово гальмується, наче куля, що летить крізь воду. Це означає, що космічні промені екстремальних енергій не повинні прилітати до нас з відстаней більших за ~100–200 млн св. років — вони б «розтанули» по дорозі. І все ж, ми реєструємо частинки, що перевищують межу ГЗК. Частинка «Oh-My-God» — яскравий приклад такої енергії. Як це можливо? Існують припущення, що джерела цих променів розташовані відносно близько до нас, у межах місцевого надскупчення галактик, тож протони не встигають втратити енергію. Інша смілива ідея — можливо, на екстремальних енергіях дещо порушується спеціальна теорія відносності (Лоренц-інваріантність), і частинки долають космос без втрат. Поки що прямих доказів цьому немає, але сама поява таких припущень показує, наскільки загадковими є космічні промені ультрависоких енергій.
Ще одна проблема — зломлення траєкторії. Космічні промені — заряджені частинки, а міжгалактичний простір пронизаний магнітними полями. Як компасна стрілка, що губить орієнтацію під час бурі, так і промінь на шляху до Землі багаторазово відхиляється від прямої. У результаті напрямок, з якого він прилетів, майже нічого не говорить про місце його народження. Детектори показали, що найенергійніші частинки приходять практично звідусіль — не спостерігається чітких «променів» чи скупчень, за якими можна було б вирахувати конкретну зорю або галактику. Це серйозно ускладнює полювання на джерела: уявіть, що ви розглядаєте пляму світла на стіні і намагаєтесь здогадатися, з якої сторони походить промінь.
Нарешті, рідкісність таких подій змушує набратися терпіння. Потік надвискокоенергетичних променів надзвичайно малий: за оцінками, частинка з енергією понад 1019 еВ прилітає в середньому раз на рік на площу в один квадратний кілометр. А на енергіях ~10²⁰ еВ йдеться вже про десятиліття чи навіть століття на ту ж площу. Тож аби впіймати бодай кілька таких «космічних снарядів», науковцям доводиться будувати гігантські детектори й збирати дані роками. Попри всі ці труднощі — чи, радше, завдяки їм — надвисокоенергетичні космічні промені лишаються однією з найгарячіших тем астрофізики: кожен новий зразок може стати ключем до розгадки.
Ми лише починаємо розгадувати таємниці космічних гігантів енергії. Кожна впіймана наденергійна частинка — як ниточка, що веде вчених крізь лабіринт запитань до розуміння фундаментальних законів природи. Поки що ниточок цих обмаль, але з кожним роком їх стає більше: обсерваторії модернізуються, будуються нові установки, а міжнародні колаборації об’єднують зусилля заради спільної мети. Попереду нас чекають, можливо, гучні події — від визначення конкретних джерел променів до, цілком ймовірно, відкриття явищ поза відомою фізикою.
Оптимізм науковців підкріплений самим фактом існування таких частинок: Всесвіт уже продемонстрував, що здатен перевершити наші найсміливіші уявлення. Тож можна сподіватися, що розгадка не за горами. Полювання триває, і кожен читач може стати його спостерігачем. Варто лише підняти очі в небо — можливо, саме зараз крізь атмосферу десь пролітає чергова космічна стріла рекордної енергії, несучи нам нове знання.
