Які механізми виникнення високоенергетичних частинок у космосі?

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.

Космічні промені являють собою потужний потік заряджених субатомних частинок, які безперервно прибувають на Землю з усіх частин Всесвіту. Ці частинки в основному складаються з атомних ядер, найчастіше протонів, а також включають ядра гелію, вуглецю та навіть важкі елементи, такі як залізо. Важливо зазначити, що космічні промені мають широкий діапазон енергій — від помірних до надзвичайно високих. Більшість з них володіють енергією в межах приблизно 10⁷-10¹⁰ електронвольт, але існують також рідкісні високоенергетичні частинки, які можуть досягати величезних значень енергії — до 10¹⁸-10²⁰ електронвольт і навіть більше. Для порівняння, у найбільш потужному земному прискорювачі — Великому адронному колайдері — частинки розганяються до 10¹²-10¹³ еВ, що є в мільйони разів нижчим. Найвища енергія космічної частинки перевищила енергію LHC приблизно в 40 мільйонів разів! Хоча всі високоенергетичні частинки належать до космічних променів, лише незначна їх частина досягає таких екстремальних енергетичних значень, і саме вони привертають особливу увагу дослідників. У наукових колах також використовується термін "надвисокоенергетичні космічні промені" (UHECR) для частинок з енергіями, що перевищують приблизно 10¹⁸ електронвольт.

*еВ (електрон-вольт) — це енергія, яку набуває один електрон, переміщуючись через електричну напругу в 1 вольт. Таким чином, 3 × 10²⁰ еВ відповідає приблизно 48 джоулям.

Як ми виявляємо ці невидимі частинки? Коли космічний промінь проникає в атмосферу Землі, він генерує вражаючий каскад вторинних частинок, відомий як атмосферна злива. Це схоже на космічний більярд: одна частинка вибиває з атомів атмосфери цілі групи протонів, піонів, мюонів та інших фрагментів, які стрімко мчать до поверхні. Ця хвиля може розпростертися на кілька кілометрів у діаметрі, поки її енергія не вщухне. Земля виступає як величезний детектор: хоча ми не можемо бачити сам первинний промінь, ми вловлюємо "дощ" вторинних частинок або слабкі спалахи світла, які він викликає в атмосфері. Таким чином, атмосфера виконує роль особливого екрана, на якому залишаються сліди космічних променів, що дозволяє науковцям їх детально досліджувати.

Отже, космічний промінь проникає в атмосферу. Внаслідок цього зіткнення виникають піони.

Піони швидко трансформуються в мюони. Ці мюони досягають Землі і проходять крізь наші тіла, не завдаючи жодної шкоди.

*Піон (π-мезон) -- це нестабільна частинка, що складається з пари кварк-антикварк. Мюон (μ-мезон) -- це важкий аналог електрона.

Які ж астрофізичні "механізми" можуть прискорювати частинки до таких вражаючих енергій? Є кілька можливих кандидатів, починаючи від вибухових явищ і закінчуючи екзотичними об'єктами:

Мати потужне джерело — це лише частина задачі. Природі необхідно ще прискорити частинку до фантастичних швидкостей. Звичайні зорі чи планети не здатні цього досягти — для цього потрібні екстремальні космічні "прискорювачі". Основним механізмом вважається процес Фермі — свого роду космічний пінбол. Уявімо заряджену частинку, яка хаотично переміщується серед рухомих магнітних хмар газу або ударних хвиль. Кожного разу, відбиваючись від таких магнітних "дзеркал", частинка отримує трохи більше енергії. Після численних повторень цього процесу частинка досягає релятивістських швидкостей. Наприклад, ударні хвилі від наднових зірок забезпечують перше прискорення Фермі: частинка неодноразово перетинає фронт ударної хвилі, отримуючи щоразу новий "поштовх" уперед. Так формується відомий спектр космічних променів за законом потужності.

*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.

Щоб досягти енергій порядку 10²⁰ еВ, необхідні надзвичайні умови. Чим вища енергія частинки, тим важче її утримати в зоні прискорення — вона прагне вирватися на волю. Моделювання показує, що ударна хвиля звичайної наднової може розігнати протон лише до приблизно 10 еВ. Це є максимальною межею такого "двигуна", далі частинка просто втече. Для того, щоб надати їй ще три порядки енергії, потрібен або набагато більший прискорювач, або значно потужніше магнітне поле. Цей принцип відомий як умова Хілласа: об'єкт повинен бути достатньо великим і магнітним, аби утримати ультрарелятивістську частинку. Виявляється, що лише в кількох місцях Всесвіту ці вимоги можуть бути виконані: це або величезні об'єкти (на приклад, галактичні скупчення або радіогалактики), або надзвичайно потужні магнітні поля (нейтронні зорі, чорні діри). Прискорення частинки до 10²⁰ еВ є величезним викликом навіть для природи, своєрідним космічним еквівалентом створення адронного колайдера розміром із цілу галактику. Тому кожна така частинка, що досягає нас, справді є унікальною.

Вчені використовують спеціалізовані обсерваторії космічних променів для полювання на невловимих гостей з космосу. Найбільша з них — Обсерваторія П'єра Оже, розташована в Аргентині. На території, що перевищує площу Люксембургу, розміщено величезний масив з 1600 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.

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.

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 складна проблема – це зміна траєкторії. Космічні промені складаються з заряджених частинок, а міжгалактичний простір насичений магнітними полями. Подібно до компасної стрілки, яка втрачає свою орієнтацію під час шторму, промені на своєму шляху до Землі часто відхиляються від прямого маршруту. В результаті, напрямок, з якого вони прибувають, майже нічого не говорить про їхнє місце походження. Дослідження вказують на те, що найбільш енергійні частинки надходять з практично будь-якої точки всесвіту – чітких "променів" або скупчень не спостерігається, що ускладнює можливість визначення конкретних зір або галактик. Це суттєво ускладнює пошук джерел: уявіть, що ви дивитесь на пляму світла на стіні і намагаєтеся вгадати, з якого боку прийшов промінь.

Врешті-решт, рідкість таких явищ вимагає терпіння. Потік надвисокоенергетичних частинок надзвичайно обмежений: за підрахунками, частинка з енергією понад 10 еВ з'являється в середньому лише раз на рік на площі одного квадратного кілометра. А при енергіях близько 10²⁰ еВ ми говоримо вже про десятиліття чи навіть століття для тієї ж площі. Тому, щоб вловити хоча б кілька таких "космічних снарядів", вченим доводиться створювати величезні детектори і збирати дані протягом багатьох років. Незважаючи на всі ці виклики — або, скоріше, завдяки їм — надвисокоенергетичні космічні промені залишаються однією з найактуальніших тем в астрофізиці: кожен новий зразок може стати ключем до розгадки багатьох таємниць.

Ми лише на початку шляху до розкриття загадок космічних енергетичних гігантів. Кожна виявлена наденергійна частинка слугує своєрідною ниткою, що веде дослідників через складний лабіринт запитань до глибшого усвідомлення основних законів природи. Хоча наразі таких ниток небагато, їх кількість зростає з кожним роком: обсерваторії модернізуються, з'являються нові установки, а міжнародні співпраці об'єднують зусилля для досягнення спільних цілей. Попереду нас можуть чекати значні відкриття — від ідентифікації конкретних джерел космічних променів до можливого виявлення явищ, які виходять за межі відомої фізики.

Оптимізм вчених підкріплений самої ідеєю існування таких часток: Всесвіт вже неодноразово доводив, що може перевершити наші найсміливіші сподівання. Тому є всі підстави вважати, що розгадка таємниць не за горами. Дослідження тривають, і кожен читач має можливість стати свідком цього процесу. Варто лише поглянути на небо — можливо, саме зараз десь в космосі мчить чергова енергетична стріла, яка принесе нам нові знання.