«Горячее пятно» Большой Медведицы

Российские физики и их зарубежные коллеги обнаружили «горячее пятно» на карте космических лучей ультравысоких энергий

Группа из 125 физиков, в которую вошли ученые и из России, обнаружила и изучила «горячее пятно» в созвездии Большой Медведицы. Этой работой физики стали на шаг ближе к обнаружению загадочных источников самых энергичных частиц во Вселенной.

Обсерватория Telescope Array, расположенная в штате Юта (США) и эксплуатируемая международной коллаборацией ученых из Бельгии, Кореи, России, США и Японии, обнаружила так называемое горячее пятно – область на небе, из которой приходит неожиданно много космических лучей ультравысоких энергий. Согласно сообщению ученых, открытие является шагом вперед в понимании природы загадочных источников наиболее энергичных частиц во Вселенной. В работе обсерватории активно участвует российская научная группа из Института ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН).

«Это приближает нас к обнаружению источников, хотя задача еще не решена, – сообщил Гордон Томсон, профессор Университета Юты, один из руководителей обсерватории Telescope Array – крупнейшего детектора космических лучей в Северном полушарии. – Мы видим сгусток на небе, но внутри него – множество объектов различных типов, которые могут являться источниками космических лучей ультравысоких энергий. Но теперь мы знаем, где искать».

Результаты исследования приняты в печать в журнал Astrophysical Journal Letters.

По словам Томсона, многие астрофизики предполагают, что космические лучи ультравысоких энергий рождаются в активных ядрах галактик, в которых часть материи засасывается черной дырой, а другая часть выбрасывается наружу в форме направленной струи.

Другая популярная гипотеза состоит в том, что космические лучи рождаются при сверхмощных взрывах звезд – гамма-всплесках.

Источниками космических лучей более низких энергий являются Солнце, другие звезды и взрывы сверхновых, в то время как происхождение наиболее энергичных космических лучей остается загадкой в течение десятилетий.

Российские участники Telescope Array

Ткачев Игорь Иванович, д.ф.-м.н., член-корреспондент РАН (руководитель российской научной группы, член совета директоров обсерватории Telescope Array)
Калашев Олег Евгеньевич, к.ф.-м.н.
Кузьмин Вадим Алексеевич, д.ф.-м.н., член-корреспондент РАН
Пширков Максим Сергеевич, к.ф.-м.н.
Рубцов Григорий Игоревич, к.ф.-м.н.
Троицкий Сергей Вадимович, д.ф.-м.н

Исследование выполнено коллективом из 125 ученых, включая 6 исследователей из ИЯИ РАН.

Частицы из-за пределов нашей Галактики

Открытые в 1912 году космические лучи на самом деле представляют собой не лучи, а частицы: либо протоны (ядра атомов водорода), либо ядра более тяжелых химических элементов. Среди возможных источников космических лучей кроме активных ядер галактик и взрывов сверхновых называют радиогалактики, ударные волны от столкновений галактик и мощные магнетары, расположенные в других галактиках. Космические лучи также могли образоваться в результате медленного распада гипотетических сверхтяжелых частиц, оставшихся от Большого взрыва, происшедшего 13,8 млрд лет назад, которые сегодня, возможно, составляют темную материю.

Установка Telescope Array регистрирует космические лучи с энергией выше чем 10¹⁸ электрон-вольт. Эта энергия всего лишь одной частицы примерно равна кинетической энергии теннисного мячика, в котором триллионы триллионов атомов.

Космические лучи таких высоких энергий приходят к нам из-за пределов нашей Галактики – Млечного Пути, размер которой составляет 100 тыс. световых лет (около миллиарда миллиардов километров). Согласно предсказанию Грейзена, Зацепина и Кузьмина (ГЗК), частицы высочайших энергий должны терять энергию во взаимодействиях с реликтовым излучением. Этот эффект, предсказанный в 1966 году, сегодня подтвержден в экспериментах HiRes, Pierre Auger и Telescope Array. Поэтому такие частицы не могут приходить из слишком удаленных частей Вселенной — более 90% из них должны рождаться на расстояниях, не превышающих 300 млн световых лет.

«Из того, что космические лучи не концентрируются явно вокруг источников, а приходят достаточно изотропно, следует, что таких источников должно быть достаточно много.

Это требование трудно согласовать с ограничениями на физические свойства источников, требующими исключительных характеристик ускоряющих объектов. Сейчас существует только одна модель, удовлетворяющая всем наблюдательным данным, она предложена участниками нашей группы два года назад), – сообщил Сергей Троицкий, ведущий научный сотрудник ИЯИ РАН. – С ростом статистики источники должны рано или поздно обнаружить себя. Наиболее близкий к нам мощный источник должен проявиться первым, и он может выглядеть как «горячее пятно».

«По пути к нам космические лучи отклоняются в галактических и внегалактических магнитных полях. Величина магнитного поля в нашей Галактике может быть определена из измерений вращения плоскости поляризации радиоизлучения от далеких источников, а за пределами Галактики точных измерений магнитных полей нет, – говорит руководитель российской группы Telelscope Array член-корреспондент РАН Игорь Ткачев. – Для космических лучей относительно низких энергий отклонения в магнитном поле приводят к потере информации об исходном направлении распространения, поэтому такие частицы не указывают на свои источники. Самые энергичные космические лучи привлекательны тем, что для них отклонения в галактическом магнитном поле не так велики, что в принципе открывает двери для новой области науки – астрономии заряженных частиц. Полная величина отклонения от направления на источник должна зависеть от неизвестных сегодня внегалактических магнитных полей. Идентификация источников позволит заодно измерить эти поля».

По словам Григория Рубцова, научного сотрудника ИЯИ РАН, задача поиска источников космических лучей напрямую связана с не решенной пока задачей точного определения их состава.

«Протоны – ядра водорода – отклоняются магнитными полями слабее, чем ядра других химических элементов, так как для ультрарелятивистских частиц определенной энергии отклонение пропорционально заряду, но не зависит от массы, – отмечает Рубцов. – Таким образом, идентифицировав источник, можно будет оценить заряд частицы по величине отклонения от направления на источник. Точное знание состава позволит исследовать процессы взаимодействия таких частиц внутри источников, а также с межзвездной средой и атмосферой. Эти процессы идут при энергиях, более чем в десять раз превышающих максимальные энергии столкновения, достижимые на современных коллайдерах».

Обсерватория Telescope Array использует два метода регистрации космических лучей. Установка имеет четыре комплекса телескопов, расположенных на расстоянии нескольких десятков километров друг от друга, каждый из которых фиксирует слабые вспышки ультрафиолетового флуоресцентного излучения атомов азота и кислорода, вызванные взаимодействием космических частиц с атмосферой. Такие частицы, попадая в атмосферу, рождают каскад вторичных частиц, называемый широким атмосферным ливнем (ШАЛ). ШАЛ регистрируется 523 наземными сцинтилляционными детекторами, которые покрывают площадь около 700 кв. км. Флуоресцентные детекторы использовались для более точного определения энергии частиц.

«Горячее пятно» на карте космических лучей

В новом исследовании обсерватории Telescope Array группа ученых рассмотрела космические лучи с энергиями выше 57 миллиардов миллиардов электрон-вольт (5,7•10¹⁹). Эти космические частицы были зарегистрированы с 11 мая 2008 года по 4 мая 2013 года. Несмотря на большую площадь установки, за пять лет было зафиксировано всего 72 таких события.

Оказалось, что 19 из этих частиц пришли из одной области неба, которая и получила название «горячее пятно».

Если бы космические лучи были распределены изотропно, от «горячего пятна» ожидалось бы в среднем 4,5 события. Обнаруженное «горячее пятно» – круг радиусом около 20 градусов, расположенный под созвездием Большой Медведицы. Экваториальные координаты его центра: склонение – 43,2 градуса, прямое восхождение – 146,6 градусов. «Горячее пятно» находится вблизи сверхгалактической плоскости, связанной со Сверхскоплением Девы, в которое входит и наша Галактика. Ученые сообщили, что вероятность того, что «горячее пятно» является случайной флуктуацией, составляет приблизительно 1 к 3000.

«Неизвестный пока ближайший источник космических лучей может быть также источником нейтрино сверхвысоких энергий, недавно обнаруженных на установке IceCube, – считает Сергей Троицкий. – Актуальным направлением теоретических исследований сегодня является построение модели, которая смогла бы одновременно описать и происхождение нейтрино, и происхождение заряженных частиц. Такие исследования ведутся в нашей группе».

Финансирующие организации

Финансирование исследования осуществляется Японским обществом развития науки, Институтом космических лучей Университета Токио, Национальным научным фондом (США), Национальным исследовательским фондом Кореи, Российской академией наук, Российским фондом фундаментальных исследований, Свободным университетом Брюсселя, штатом Юта, Университетом Юты и частными фондами Экиля и Эдны Дамке, Вилларда Эккля, Джорджа и Долорес Эккль.

Расширение поиска

19 частиц являются статистически значимым указанием на присутствие «горячего пятна». Тем не менее такой статистики недостаточно для того, чтобы провести дополнительные исследования наблюдаемого явления. Так, интересными представляются исследование изменения размера «горячего пятна» с ростом энергии, сравнение характеристик событий с предсказаниями конкретных моделей, исследование химического состава космических лучей из «горячего пятна». Для этих задач потребуется значительное увеличение статистики, которое будет возможно с планируемым увеличением эффективной площади установки в четыре раза.

Ученые планируют удвоить число наземных детекторов, при этом увеличив расстояние между ними так, чтобы общая площадь увеличилась в четыре раза.

По словам Гордона Томсона, «территория для расширения расположена к северу и к югу от существующей установки». Он добавил, что ученые планируют получить $6,4 млн от правительств США и Японии в конце этого года и завершить расширение в 2016 году.

Профессор Университета Юты Джон Мэттьюс сообщил: «Обсерватория Telescope Array, построенная за $17 млн, начала наблюдения в 2008 году. Позже установка была модернизирована, что увеличило ее стоимость до $25 млн, из которых Япония внесла примерно 2/3, а США – примерно 1/3».