Под антарктическим льдом зафиксированы загадочные радиосигналы космического происхождения
Подлёдный детектор, установленный глубоко в антарктическом ледяном щите, зарегистрировал первое экспериментальное подтверждение давно предсказанного, но ранее не наблюдавшегося явления — радиосигналов, возникающих при столкновении высокоэнергетических космических лучей со льдом и запуске внутри него каскадов частиц. Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, подтверждают ключевой метод наблюдений, который в будущем может открыть путь к регистрации одних из самых редких и энергетически мощных частиц во Вселенной.
Само явление было предсказано ещё в 1962 году советским физиком Гургеном Аскаряном. Согласно его теории, частицы сверхвысоких энергий, проходя через плотную среду, должны порождать короткие импульсы радиоволн. При столкновении с атомами материал инициируется лавина вторичных частиц, которая увлекает электроны среды, формируя отрицательно заряженный фронт, излучающий радиосигналы. Позднее эффект, известный как излучение Аскаряна, был подтверждён в лабораторных условиях и зафиксирован в атмосфере, однако обнаружение его в ледяной среде оставалось крайне сложной задачей.
Основная трудность заключалась в отделении слабых сигналов от фоновых радиопомех, характерных для полярных регионов, а также в недостаточной точности моделей, описывающих поведение эффекта в льду. Лишь развитие современных вычислительных методов и симуляций позволило провести достаточно строгий анализ данных и приступить к поиску сигнатур явления в реальных наблюдениях.
Эксперимент проводился с помощью системы Askaryan Radio Array (ARA), расположенной вблизи Южного полюса. Комплекс состоит из пяти станций, каждая из которых оснащена радиоантеннами, погружёнными на глубину от 150 до 200 метров в ледяные скважины. Установки распределены на площади примерно двух километров и предназначены для регистрации радиовсплесков, возникающих при взаимодействии частиц с ледяной толщей.
В ходе наблюдательной кампании 2019 года, длившейся 208 дней, исследователи зафиксировали 13 аномальных событий — импульсных радиосигналов, приходящих из-под поверхности льда. Их происхождение изначально оставалось неясным, поскольку они могли быть вызваны как физическими процессами, так и внешними помехами, включая авиационные радары или радиосвязь антарктической станции имени Амундсена-Скотта.
Последующий анализ с использованием новых моделей показал, что характеристики сигналов полностью соответствуют теоретическим предсказаниям излучения Аскаряна, возникающего при взаимодействии космических лучей со льдом. Были сопоставлены направления прихода сигналов, форма импульсов, спектральные характеристики и ориентация электрических полей. Вероятность того, что все 13 событий могли быть случайными шумами, составила менее одной на 3,5 миллиона, что соответствует статистической значимости 5,1 сигма и обычно считается уровнем открытия.
Исследователи пришли к выводу, что зарегистрированные сигналы вызваны плотными ядрами почти вертикальных каскадов космических лучей, проникающих в верхние слои льда и формирующих нисходящие лавины частиц. Это открытие имеет прямое значение для основной цели эксперимента — поиска ультраэнергетических космических нейтрино, поскольку их сигналы в ледяной среде практически неотличимы от сигналов космических лучей. Разделение возможно лишь по геометрии: космические лучи взаимодействуют вблизи поверхности, тогда как нейтрино способны проникать значительно глубже и приходить под более крутыми углами.
С учётом предстоящего расширенного анализа данных со всех пяти станций за несколько лет, команда ARA ожидает, что сможет выявить до семи кандидатов в события, связанных уже непосредственно с нейтрино, что станет важным шагом в развитии нейтринной астрономии.
Исследование в журнале Physical Review Letters.