Загадочная частица с ультравысокой энергией

Физики продолжают работу над более точной интерпретацией загадочного события, зарегистрированного утром 27 мая 2021 года установкой международной коллаборации Telescope Array, расположенной в пустынной части американского штата Юта. Тогда был зарегистрирован широкий атмосферный ливень, порожденный заряженной частицей с почти рекордной энергией, пришедшей как бы из пустоты, из Местного войда.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Статья в журнале Science с описанием этого события и его предварительным анализом, опубликованная в ноябре 2023 года, наделала много шума, широко освещалась СМИ и позже фигурировала в десятке важнейших научных открытий года (Telescope Array Collaboration. An Extremely Energetic Cosmic Ray Observed by a Surface Detector Array // Science. 2023. DOI: 10.1126/science.abo5095 ). Ключевую роль в физической интерпретации результатов наблюдений сыграли ученые из Института ядерных исследований РАН. Новая статья на эту тему одного из первооткрывателей, кандидата физико-математических наук Михаила Кузнецова из лаборатории обработки больших данных ИЯИ РАН, опубликована в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (Mikhail Yu. Kuznetsov. A Nearby Source of Ultra-high Energy Cosmic Rays // ArXiv: 2311.14628).

«Ъ-Наука» поговорил с Михаилом Кузнецовым о том, что нового на сегодняшний момент удалось выяснить о частице Аматэрасу (как ее окрестили в прессе), не перестала ли она быть столь же загадочной.

— Это открытие включают в число важнейших научных достижений года. Чем эта частица так уникальна? Ведь она, как мы понимаем, не самая высокоэнергичная, она интригует прежде всего чем-то другим?

— Ну, во-первых, она достаточно высокоэнергичная. Это частица с самой высокой энергией за последние три десятка лет и вторая за всю историю наблюдений. Нужно, впрочем, понимать, что эти числа воспринимаются с определенной долей условности, потому что у каждого эксперимента свой метод реконструкции этой энергии. То есть энергия там измеряется не линейкой и не динамометром, она становится нам известна в результате очень сложной процедуры — компьютерной реконструкции. Соответственно, все это, конечно, имеет некоторую оценку достоверности, есть некий разброс ошибки.

— Все восстанавливается из тех миллиардов частиц, что в широком атмосферном ливне, который порожден первоначальной частицей?

— Совершенно верно. Это как бы обратная задача решается: найти по следу, кто же его оставил. Если статью посмотреть, то там написано, что энергия равна 244±29 эксаэлектронвольт (2,44x1020 эВ) и еще систематическая неопределенность плюс 51 — минус 76. То есть довольно большой разброс.

— В общем, появилась загадка, пока еще окончательно не решенная, и, как всякая загадка, она будоражит воображение специалистов и широкой публики. Мы говорили про публикацию ноябрьскую в Science, когда было объявлено о регистрации этой частицы. А ваша новая работа, стало быть, посвящена дальнейшему анализу свойств и происхождения частицы. И что в результате принципиально нового удалось узнать в этом смысле? В вашей работе сказано, что источник находится не далее 5 мегапарсек. То, что это не фотон, а заряженная частица, было указано уже в публикации Science, но там не было с уверенностью написано, протон ли это или ядро и какое именно ядро. А вам удалось вроде бы это уточнить? Причем у вас написано, что там, скорее всего, ядро железа. Это тоже результаты моделирования?

— Да, я могу это объяснить подробнее. В статье Science было примерно намечено, что отклонение от ожидаемых источников большое, значит, скорее всего, это не протон. И расстояние до предполагаемого источника было рассчитано и для того, и для другого случая, то есть исходя из того, что это может быть протон, и исходя из того, что это может быть железо,— это два предельных случая, ведь частиц тяжелее железа мы не ожидаем, это уже некая экзотика, так как таких ядер в целом очень мало во Вселенной.

Но я не утверждаю на 100%, что это ядро железа. В моей статье я ставил целью прежде всего понять, где находится источник, насколько он к нам близко. При этом чем выше энергия, тем источник должен быть ближе, потому что чем выше энергия, тем меньше длина свободного пробега этой частицы, она рассеивается на реликтовом излучении. Это собственно и есть эффект Грайзена—Зацепина—Кузьмина (ГЗК) в области предельно высоких энергий. Соответственно, можно предположить, что при такой огромной энергии источник должен быть где-то совсем рядом (по космическим меркам), где-то в нашей внегалактической окрестности. Расстояние свободного пробега существенно разное для протонов и для ядер (для протонов оно все-таки побольше, для ядер — совсем маленькое). Для промежуточных ядер (между протоном и железом) оно самое маленькое, где-то 1–2 мегапарсека, это, условно говоря, расстояние до галактики Андромеды. Почему так? Промежуточные ядра пролетают меньше, чем железо, грубо говоря, потому, что они более «рыхлые», их легко «расколоть»: железо тверже, там энергия связи большая, его сложно расколоть. Ну и протон тоже более «твердый». Таким образом, моя задача состояла в том, чтобы прежде всего доказать, что это не протон,— тогда расстояние будет маленьким. И это действительно не протон — даже предполагая наибольшие возможные космические магнитные поля, не удается для протона заработать такое отклонение. Второе — нужно взять ядро, которое имеет наибольшую длину пробега. То есть, если я хочу ограничить расстояние сверху — показать, что это расстояние не больше такого-то значения,— я должен брать самый консервативный случай, а именно ядро, для которого это расстояние максимальное. И таким ядром является железо. Для него такое отклонение уже вполне возможно. А все промежуточные ядра не то что твердо исключаются (в принципе это могут быть и промежуточные ядра — не знаю, кремний, кальций…) — просто для них это ограничение на расстояние до источника будет еще более жестким. То есть источник должен будет находиться еще ближе. Но даже если мы предположим, что это железо, то получается всего 5 мегапарсек.

— Выходит, вы все-таки ищете что-то более или менее подходящее в пределах этих 5 мегапарсек и рассматриваете разные сценарии рождения частицы? И пытаетесь очертить какую-то зону при отклонении в пределах, скажем, 10 градусов?

— Ну, собственно, пока до сих пор толком не ясно, что именно порождает подобные частицы, обычно, если не брать экзотику, рассматриваются самые мощные объекты типа сверхмассивных черных дыр. Но смысл работы был не в том, чтобы найти источник для этой конкретной частицы. Мне кажется, что этот вопрос и не очень научный, потому что мы должны устанавливать какие-то универсальные закономерности. Откуда кирпич свалился? Бог его знает, свалился и свалился. Откуда частица прилетела? Ну, тоже не очень-то интересно на самом деле. Интересно понять какую-то универсальную закономерность, какие источники в принципе их порождают. Поэтому, хотя я и назвал статью «Близкий источник космических лучей ультравысоких энергий», я знаю лишь, что он близко, но не знаю, какой конкретно это источник, и считаю, что не очень важно, какой конкретный источник ее породил. Важно сказать лишь, что он близкий и что, соответственно, таких источников не меньше, чем сколько-то там штук на такой-то объем. И эту величину я определяю, какая должна быть концентрация этих источников.

— А какие типы источников наиболее вероятны, что сейчас рассматривается? Ну, собственно, как я понимаю, центральная сверхмассивная черная дыра в галактиках или что-то еще?

— Да, в работе приведена вот эта картинка, на которой астрофизики отметили, какие классы источников имеют подходящую концентрацию в пространстве и подходящую светимость. Это и активные ядра галактик, то есть сверхмассивные черные дыры, на которые идет аккреция; тут и блазары, которые такие же аккрецирующие ядра, только еще и с джетом в нашу сторону. И есть еще скопления галактик, то есть какие-то относительно компактные объекты, где много галактик,— там может быть какой-то горячий газ, в нем ударные волны,— это тоже потенциальный источник. Указаны и галактики со вспышками звездообразования. Это тоже история про ударные волны, только в меньшем объеме. Есть и то, что называется Jetted TDE, то есть Tidal Disruption Event, событие приливного разрушения. Это если у вас, допустим, звезда летит около сверхмассивной черной дыры и в какой-то момент под действием ее тяготения разрушается, и во все стороны разлетаются потоки, которые могут рассматриваться в том числе и как ускорители частиц. Все это разные астрофизические сценарии, они здесь нанесены вот на этом графике, исходя из своих теоретических параметров. Рассматривается в том числе и интересный такой сценарий с магнитарами. Магнитары — это нейтронные звезды с очень сильным магнитным полем, которые иногда испускают вспышки рентгеновского и гамма-излучения, то есть это маленький компактный объект. Магнитары есть в нашей галактике, ну и в других галактиках они тоже есть, но на картинке видно, что они не очень-то хорошо во все это вписываются, лежат где-то на самом краю графика, и, вообще говоря, светимости им не достает. То есть они могли бы в принципе порождать отдельные достаточно высокоэнергичные частицы, но вряд ли весь их наблюдаемый поток. И вот на этом графике я закрываю некоторую область концентраций источников. Это в пять раз более сильные ограничения, чем предыдущие, которые давали наблюдения Обсерватории Пьера Оже.

— А вы рассматривали не только эту конкретную частицу, но и другие самые высокоэнергичные?

— Нет, я рассматривал только ее, потому что менее энергичные ничего по сути не добавляют. Но тут важно предположение, что и эта частица, и другие менее энергичные частицы порождены одними и теми же источниками. Тогда можно сделать вывод об источниках в целом, не только об источнике этой конкретной частицы. И, получается, некоторые классы источников оказываются достаточно надежно исключены в качестве основного источника космических лучей: галактики со вспышками звездообразования, например, скопления галактик, блазары, эти вот события приливного разрушения — они все, оказывается, не могут быть источниками полного потока космических лучей, только какой-то маленькой его части. А другие классы остаются разрешенными. Скажем, определенный тип активных ядер галактик — FR-I так называемый (я не буду вдаваться здесь в астрономические подробности). Ядра галактик с низкой светимостью вполне могут. Гиперновые. Или гамма-всплески в принципе, они тоже кандидаты на роль источников таких космических лучей.

Подготовлено при поддержке пресс-службы ИЯИ РАН; работа выполнена при поддержке РНФ