Самые энергичные частицы во Вселенной могут оказаться ультратяжелыми ядрами
Загадка происхождения самых высокоэнергетических частиц, когда-либо наблюдаемых на Земле, возможно, имеет ультратяжелое объяснение. Новое исследование, проведенное под руководством ученых Университета штата Пенсильвания, предполагает, что некоторые из космических лучей сверхвысоких энергий могут состоять из атомных ядер, более тяжелых, чем железо.
Напомним, что ультраэнергичные космические лучи — это частицы из космоса, которые сталкиваются с Землей с энергиями, далеко превосходящими возможности, достигаемые на созданных человеком ускорителях частиц. Одним из самых экстремальных событий, когда-либо зарегистрированных, является «частица Аматэрасу», обнаруженная обсерваторией Telescope Array в штате Юта в 2021 году и названная в честь японской богини солнца. Ее зарегистрированная энергия, составившая около 240 эксаэлектронвольт, помещает ее в число самых энергичных событий космических лучей, сравнимых с «частицей Oh-My-God», детектированной в 1991 году. Однако ее происхождение и даже идентичность до сих пор остаются неопределенными. Направление, откуда предположительно пришла частица Аматэрасу, указывает на космическую пустоту, где нет очевидных источников таких лучей.
Команда под руководством Коты Мурасе, профессора физики и астрофизики, провела детальные компьютерные симуляции того, как энергия частиц разного размера меняется по мере их путешествия через межгалактическое пространство. Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, показали, что ультратяжелые ядра теряют энергию медленнее, чем протоны или ядра промежуточной массы. Это позволяет им лучше выживать в космических далях и достигать Земли при экстремальных энергиях, в то время как более легкие частицы быстрее расходуют свой заряд.
Расчеты исследовательской группы также наложили новые ограничения на то, какой вклад такие ультратяжелые ядра вносят в общую популяцию наблюдаемых космических лучей. По словам ученых, наиболее перспективными местами для производства и ускорения таких сверхтяжелых частиц являются гибель массивных звезд, сопровождающаяся взрывным коллапсом в черные дыры или сильно намагниченные нейтронные звезды, а также слияния двойных нейтронных звезд, которые, как известно, являются мощными источниками гравитационных волн. Эти мощные космические явления также могут питать гамма-всплески — одни из самых энергичных взрывов во Вселенной. Вклад от этих источников мог бы также помочь объяснить возможное различие, наблюдаемое между северным и южным небом в спектре ультраэнергичных космических лучей.
Ученые подчеркивают, что они не утверждают, будто все ультраэнергичные космические лучи являются ультратяжелыми ядрами. Однако если некоторые из событий с наивысшей энергией действительно будут идентифицированы как такие ядра, это кардинально повлияет на стратегию поиска их источников. Для проверки этой гипотезы потребуются данные обсерваторий нового поколения.
Исследование в журнале Physical Review Letters.