Учёные объявили, что им удалось раскрыть загадку происхождения космических лучей сверхвысоких энергий. По их словам, элементарные частицы с умопомрачительными энергиями, которые то и дело бомбардируют Землю, скорее всего, родились в сверхмассивных чёрных дырах, расположенных в ближайших галактиках.
Астрофизикам, работающим в обсерватории имени Пьера Оже в аргентинской провинции Мендоса, удалось накопить достаточное количество данных, чтобы уверенно утверждать: самые энергичные частицы, которые когда-либо регистрировал человек, приходят с тех участков неба, на которых наблюдается больше всего галактик с активными ядрами.
Считается, что активность ядра галактики – а это может быть истечение из него огромных струй («джетов») вещества, яркое свечение или быстрая переменность – вызывают именно сверхмассивные чёрные дыры в её центре. С открытием анизотропии космических лучей – то есть неравномерности их распределения по небу – чёрные дыры становятся и ведущими кандидатами на роль «космических ускорителей».
называют частицы, врезающиеся в атмосферу Земли со скоростью, близкой к скорости света. Под такое определение, конечно, подходят и солнечные лучи, освещающие нашу планету, но разговор, разумеется, не о них. Физиков интересуют в первую очередь заряженные частицы – электроны, протоны, нейтроны, ядра различных атомов. Регистрируемые на Земле космические лучи, состав которых удаётся измерить, примерно на 90% состоят из протонов, на 7% — из альфа-частиц (ядер атомов гелия), и на 3% - из всего остального. Состав космических лучей сверхвысоких энергий пока доподлинно неизвестен.
Впрочем, среди самых энергичных частиц могут быть и кванты света – фотоны, однако при таких энергиях они скорее похожи на бронебойные снаряды, чем на ласковые световые волны.
Попадая в атмосферу, каждая космическая частица рано или поздно сталкивается с атомом одного из газов. Как правило, это будет азот – таких атомов в воздухе больше всего. Энергии космического луча достаточно, чтобы разрушить атом, или его ядро, ускорив «осколки» почти до скорости света, а также родить множество новых частиц. Выбитые столкновением «осколки», также начнут сталкиваться с другими атомами, выбивая из них новые осколки и постепенно теряя энергию.
Такая каскадная реакция называется широким атмосферным ливнем и приводит к тому, что до поверхности земли долетает целый рой (точнее, «блин» толщиной всего несколько метров) частиц, поперечник которого может превышать несколько километров. Именно такие ливни и открыл французский физик Пьер Оже ещё в первой половине прошлого века.
Однако магнитное поле галактики не способно удерживать частицы с энергией больше 1 Ээв (эксаэлектрон-вольт = 1 000 000 000 000 000 000 электрон-вольт).
Их траектории изогнуть сложнее, и частица быстро оказывается в межгалактическом пространстве, где магнитное поле гораздо слабее. Ну и что, скажете вы, ведь галактик во Вселенной много. В них тоже взрываются сверхновые, и от них к нам и приходят энергичные космические лучи.
Примерно так все и думали, пока в 1966 году одновременно Вадим Кузьмин, Григорий Зацепин в СССР и Кеннет Грейзен в США не показали, что очень энергичные частицы издалека добраться не могут. Частицы с энергией выше 60 Ээв с трудом способны пролететь 300 миллионов световых лет, а при более высоких энергиях «горизонт» поджимается до нескольких десятков миллионов световых лет. Взаимодействуя со всепроникающим реликтовым излучением, оставшимся во Вселенной с тех пор, когда она была молодой и горячей, приводят к интенсивной потере энергии космическими лучами.
ГЗК-эффект, ГЗК-обрезание – эффект быстрого торможения ядер с энергиями выше нескольких десятков ЭэВ за счёт взаимодействия с фотонами реликтового излучения.
Реликтовое излучение осталось во Вселенной с тех пор, когда она была молодой и горячей. В расширяющейся Вселенной, оно к настоящему времени остыло до температуры в 2,7 К, при этом в каждом кубическом сантиметре межзвёздного пространства содержится в среднем около 500 фотонов этого излучения. Однако с точки зрения высокоэнергичного протона и любого другого ядра, летящего с почти световой скоростью, несущиеся ему навстречу фотоны реликтового излучения – это гамма-кванты огромных энергий, взаимодействуя с которым, протон порождает пи-мезоны (пионы).
Фоторождение пионов приводит к интенсивной потере энергии протонами, и последние не могут долго сохранять энергию выше десятков ЭэВ. Так, характерная «длина пробега» для протонов с энергией в 60 ЭэВ – около 300 миллионов световых лет, 100 ЭэВ – 100 миллионов световых лет.
За счёт ГЗК-эффекта энергетический спектр космических лучей должен резко загибаться вниз на энергиях выше 60 ЭэВ, если источники лучей распределены в пространстве равномерно. Это падение – которое в реальности не наблюдается – называется ГЗК-обрезанием.
Десяток миллионов световых лет – это по межгалактическим меркам наши ближайшие окрестности, в которых галактик и, соответственно, сверхновых не так много. А значит, должны существовать постоянные источники таких энергичных космических лучей. Единственным кандидатом на их роль были активные галактические ядра – так называемые квазары, лацертиды, радиогалактики и так далее.
В наших окрестностях таких объектов совсем немного, поэтому мы должны были бы видеть источники по отдельности. Однако мы их не видим — вернее, не видели.
Чего только не придумывали теоретики, чтобы объяснить эту загадку. Некоторые пытались найти способы «научить» ударные волны производить энергичные частицы спустя миллионы лет после взрыва сверхновых, другие предсказывали существование реликтовых сверхмассивных частиц, которые, распадаясь, рождают космические лучи сверхвысоких энергий. Были и те, кто считал, что магнитные поля в окрестностях Галактики гораздо сильнее, чем предполагается, и способны удержать такие лучи.
Наконец, многие всерьёз считали космические лучи сверхвысоких энергий указанием на неполноту наших знаний о пространстве и времени на самом фундаментальном уровне, предполагая нарушения так называемой инвариантности Лоренца – основы теории относительности, да и всей современной физики.
Теперь физики могут вздохнуть спокойно: переписывание основ их науки откладывается.
Судя по результатам, опубликованным в последнем номере журнала Science, космические лучи действительно приходят из наших ближайших окрестностей. За три с половиной года, прошедшие с начала работы обсерватории имени Пьера Оже, ей удалось зафиксировать 27 частиц с энергией выше 57 Ээв. Такие гости на Земле – большая редкость, и именно поэтому для их сбора потребовалось создать огромную обсерваторию.
Обсерватория имени Пьера Оже расположена близ города Маларгуэ в провинции Мендоса на западе Аргентины и представляет собой огромное – площадью в три тысячи квадратных километров (это втрое больше Москвы) – поле, на котором стоят почти полторы тысячи баков с водой. Когда энергичная частица попадает в атмосферу, она рождает ливень вторичных частиц, также двигающихся с большой скоростью. Попадая в воду, эти частицы светятся, и этот сигнал регистрируют фотоумножители, расположенные в каждом баке с водой.
Кроме того, в ясные безлунные ночи можно заметить флуоресцентное свечение молекул азота, возбуждённых прохождением ливня. Возвращаясь в своё обычное состояние, они испускают квант света, и поиском таких квантов занимаются четыре батареи телескопов, осматривающих небо над полем резервуаров с водой. Всё это позволяет измерить как энергию исходной космической частицы, так и направление, с которого она приходит. Точность определения последнего составляет несколько угловых градусов.
в космических лучах свервысоких энергий. Чёрными кружками и эллипсами отмечены области локализации 27 космических лучей с энергией больше 57 ЭэВ, зафиксированных обсерваторией имени Пьера Оже. Красные точки – положение ближайших (расстояние меньше 245 миллионов световых лет) активных ядер галактик.
Различными тонами синего отмечены зоны разной суммарной экспозиции обсерватории, белым – зона, недоступная наблюдениям. Галактический экватор проходит горизонтально посредине карты, сверхгалактическая плоскость, к которой концентрируются ближайшие
галактики, отмечена прерывистой линией. Зелёным показан объект Центавр А – одна из ближайших активных галактик.
Учёные нанесли 27 направлений на карту неба и обнаружили, что вид неба в космических лучах сверхвысоких энергий очень неоднороден. Большая их часть приходит из тех участков неба, где больше всего близких (не далее 200–250 миллионов световых лет) галактик с активными ядрами. Кроме того, треки двух частиц указывают на радиогалактику Центавр А – одну из ближайших галактик с активным ядром, известных астрономам; она расположена всего в 17 миллионах световых лет от нас.
Вероятность того, что обнаруженная неоднородность – лишь случайная флуктуация, авторы оценивают величиной в несколько тысячных процента, а вероятность того, что близость их расположения к активным галактикам на небе случайна – около 0,2%. Если рассмотреть отдельно данные только за последний год, шансы на случайное совпадение не превышают одного случая на несколько сотен.
Отсюда авторы делают вывод, что обнаруженный ими эффект реален. Они предупреждают, тем не менее, что из их данных напрямую не следует, что источниками космических лучей сверхвысоких энергий являются именно активные ядра галактик и сверхмассивные чёрные дыры в их центрах. Это могут быть и любые другие источники, распределённые подобным образом. Поскольку активные ядра скапливаются там же, где и другие галактики, эта оговорка очень существенна. И всё же астрономы полагают, что чёрные дыры – «подозреваемый номер один», поскольку другие объекты, способные непрерывно выделять энергию в таком режиме, науке не известны.
Кстати говоря, ещё шесть лет назад Пётр Тиняков и Игорь Ткачёв из московского Института ядерных исследований и швейцарских Лозанны и Женевы опубликовали в письмах в «Журнал экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ) работу, в которой сделали аналогичные выводы. Они использовали данные с установки по регистрации широких атмосферных ливней, работающей близ Якутска, и японского эксперимента AGASA. Для почти сотни частиц с энергией выше 40 Ээв они также зафиксировали высокую степень неоднородности. Шансы, что такое распределение получилось случайно, – четыре к миллиону, оценили российские физики, откуда сделали вывод, что у космических лучей сверхвысоких энергий действительно есть источники.
Правда, что касается источников, Тиняков и Ткачёв разошлись с результатами учёных из обсерватории имени Пьера Оже. В том же номере писем в ЖЭТФ была опубликована их статья, в которой показывалось, что источниками энергичных частиц могут быть лацертиды – активные галактические ядра, выбрасывающие вещество и заряженные частицы прямо в направлении на нас. Такая ориентация относительно редка, и для получения значимой корреляции пришлось предположить, что даже очень энергичные частицы – свыше 77 Ээв – могут приходить от галактических ядер, расположенных в миллиарде световых лет от нас.
Настолько далеко могут путешествовать лишь фотоны и нейтрино, которые никакого обрезания Грейзена — Зацепина — Кузьмина не чувствуют. По данным обсерватории Оже, более вероятно, что космические лучи сверхвысоких энергий состоят из протонов.
В любом случае активное накопление данных позволит в ближайшие несколько лет установить состав космических лучей и вычислить их источники.
Таким образом, мы наблюдаем рождение новой области астрономии, которая будет исследовать космические объекты с помощью космических лучей сверхвысоких энергий, уверены сотрудники обсерватории Оже. С её помощью можно будет проверить теории «питания» активных галактических ядер выпадением газа из окружающего пространства, изучать магнитные поля между галактиками, зондировать пустынные области межгалактического пространства. Кроме того, предстоит понять механизм разгона частиц до таких высоких энергий. Так что если физики могут вздохнуть спокойно, астрономам не до отдыха. В очередной раз всё только начинается.
