Виявлено неоднорідність у напрямках прильоту космічних променів ультрависоких енергій

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 68

Ріс. 1. Енергетичний спектр космічних променів — залежність потоку космічних променів від їх енергії. У першому наближенні потік падає за степеневим законом зі зростанням енергії. При більш детальному розгляді спостерігаються дві особливості (нижні горизонтальні відсічки), два переломи кривої, традиційно звані «коліно» (Knee) в районі 10¹⁶ еВ, і «щиколотка» (Ankle) при 10¹⁸ еВ. Обидві особливості вказують на те, що до перелому спектру і після нього діють різні механізми розгону частинок. Зокрема, при енергіях вище «щиколотки» спектру починається область позагалактичних космічних променів. Малюнок з сайту en.wikipedia.org

Колаборація Обсерваторії космічних променів ім. П’єра Оже доповідає про експериментальну вказівку на те, що космічні промені (ядра елементів від водню до заліза, що летять з астрофізичних джерел) з енергіями в мільйони разів більше енергії протонів в БАК прилітають не з нашої Галактики. Питання про походження цих променів стояло з моменту їх першого виявлення в 1960-х роках. Тепер загадка вирішена. Виявилося, що промені з енергією більше 8 ¹⁰18 еВ (близько 1,5 Дж) приблизно на 6% частіше прилітають з однієї половини неба, ніж з іншої. Максимум потоку знаходиться в 120 ° від центру Чумацького Шляху. Сигнал спостерігається зі статистичною значимістю 5,4ºі заснований на спостереженні більш ніж 30 000 потрапили в земну атмосферу космічних променів, що приблизно у вісім разів більше, ніж в інших експериментах.

Космічні промені вивчаються вже близько сотні років. Саме в космічних променях були зроблені багато видатних відкриття: перше виявлення позитрона, мюона, лід — і K-мезонів, гіперонів, і багато інших. Довгий час — до появи великих прискорювачів — космічні промені були єдиним джерелом енергійних елементарних частинок. І зараз астрофізика високих енергій постійно приносить нові і нові відкриття. А з космічними променями ультрависоких енергій (понад 10¹⁸ еВ, див. Ultra-high-energy cosmic ray) давно пов’язана одна з найбільш інтригуючих таємниць сучасної фізики: їх енергія настільки величезна, що важко навіть уявити, в яких астрономічних процесах вони можуть народжуватися. Сьогодні ми зробили без перебільшення гігантський крок до розгадки цієї таємниці.

Космічні промені можна класифікувати за їх енергією. Справа в тому, що від різних джерел приходять космічні промені різних енергій, так що такий вибір класифікації цілком природний. Найбільша кількість космічних променів походить із Сонця, їхня енергія сягає приблизно 10 ГЕВ (10¹⁰ еВ), а потік становить приблизно 10 000 частинок на секунду на квадратний метр поверхні. При збільшенні енергії потік космічних променів падає за степеним законом (рис. 1). Космічні промені, що походять з різних джерел всередині нашої Галактики мають енергії приблизно до 10¹⁸ еВ. Потік при енергії 10¹⁶ еВ становить одну частинку на квадратний метр на рік. Найбільш енергійні промені приходять до нас з невідомих джерел за межами Чумацького Шляху. Їх спектр починається від 10¹⁸ еВ і простягається до 10²⁰ еВ. Зазвичай такі промені називають космічними променями ультрависоких енергій. Їх кількість вже дуже мала: можна очікувати не більше однієї частинки з енергією 10²⁰ еВ на квадратний кілометр в століття.

Чому вчені думають, що частинки з ультрависокими енергіями мають позагалактичне походження? Тому що для розгону частинок до таких енергій необхідні дуже сильні магнітні поля величезної протяжності (загальне пояснення розгону частинок в астрофізичних джерелах можна прочитати в завданні Степенна залежність з нічого). Грубо кажучи, чим більше поле і чим більший обсяг воно займає, тим більше енергія частинок, що розганяються в цьому полі. При цьому вченим відомо досить мало причин для виникнення таких полів. Деякі об’єкти, такі як нейтронні зірки або, наприклад, квазари, можуть створювати гігантські поля. Однак, розмір таких об’єктів досить обмежений (зрозуміло, за астрономічними мірками; так-то квазари — швидше за все, це активні ядра галактик — зовсім не маленькі). Інші об’єкти, наприклад, скупчення галактик, створюють менш інтенсивні поля, але зате їх протяжність досягає мільйонів світлових років. І ті, і інші розглядаються як можливі кандидати на роль прискорювачів, що породжують космічні промені ультрависоких енергій. І ні того, ні іншого немає в нашій Галактиці. Про скупчення галактик це очевидно. З компактними джерелами теж все досить просто: якби в Чумацькому Шляху було хоча б одне таке джерело, то в напрямках прильоту спостерігалася б дуже сильна неоднорідність, що вказує на це джерело. Але такої неоднорідності немає. Таким чином, у фізиків ще до публікації обговорюваного результату були досить вагомі підстави вважати, що космічні промені ультрависоких енергій мають позагалактичне походження. Нові дані, отримані в обсерваторії ім.П’єра Оже, поставили остаточну крапку в цій дискусії.

Отже, джерел космічних променів ультрависоких енергій немає ні в Чумацькому Шляху, ні в його найближчих околицях. Однак, де ж вони? Які жахливі джерела розганяють частинки до таких неймовірних енергій? Щоб це дізнатися, необхідно з’ясувати, звідки прилітають ці частинки. Але це не так просто, адже потік таких частинок низький, а щоб з’ясувати хоча б приблизний напрямок їх прильоту (не кажучи вже про конкретне джерело), потрібна достатня статистика. Отримати її можна, лише оглядаючи значну частину поверхні Землі.

Обсерваторія ім. П’єра Оже (Pierre Auger Observatory), що знаходиться поблизу містечка Маларгуе в Аргентині, займає площу 3000 км² (це більше площі Москви — 2561,5 км² з урахуванням Нової Москви). Вона була створена спеціально для дослідження космічних променів і породжуваних ними в атмосфері каскадів вторинних елементарних частинок, які називають зливами (див. космічні дощі).

Космічні промені з енергіями понад 10¹⁴ еВ народжують зливи, які досить великі, щоб досягти поверхні Землі. При енергії проміння 10¹⁸ еВ кількість частинок в зливі досягає 10¹⁰, при цьому площа зливи, коли вона доходить до Землі, становить близько 20 км². Злива поширюється в атмосфері зі швидкістю, близькою до швидкості світла. У будь-який момент часу частинки зливи розташовані в досить тонкому диску, який розширюється в міру наближення до землі (рис. 2).

Ріс. 2. В обсерваторії ім.П’єра Оже злива частинок, що народжується в атмосфері при проходженні через неї космічного променя, реєструється за допомогою детекторів, розставлених по землі (жовті бочки), і детекторів флюоресцентного світіння, що народжується в атмосфері (праворуч внизу). За часом реєстрації сигналу в поверхневих детекторах можна судити про напрямок прильоту первісної частинки. Малюнок з сайту apcauger.in2p3.fr

В обсерваторії ім. П’єра Оже використовуються детектори двох типів: флюоресцентні та поверхневі. Флюоресцентні детектори — це дуже чутливі камери, які дивляться на атмосферу над обсерваторією і реєструють флюоресцентне світіння атмосферного азоту, яке з’являється при проходженні зливи. Поверхневі детектори розставлені на землі у вузлах трикутної сітки з кроком 1,5 км, всього їх 1600 штук (рис. 3). Вони реєструють сигнал безпосередньо від частинок зливи.

Ріс. 3. Один з поверхневих детекторів обсерваторії ім. П’єра Оже. Фото зі статті R. Smida, 2010. Observation of Ultra-high Energy Cosmic Rays

Важливо, що, коли диск з частинок зливи досягає землі, сигнал в різних детекторах з’являється в різний час. Це дозволяє відновити напрямок, звідки прийшла злива (і народжена його частинка) з точністю до 1 °. Така точність може здатися не дуже великою (1 ° — це, наприклад, вдвічі більше кутового розміру Місяця). Але в даному випадку цього виявляється достатньо. Космічні промені на своєму шляху крізь міжгалактичний простір і, особливо, крізь нашу Галактику, відхиляються у магнітних полях, причому кут відхилення пропорційний заряду частинки. Заряд космічних променів ультрависоких енергій в середньому становить від 1,7 до 5 в одиницях заряду протона (тобто частинками тут ми називаємо не тільки протони, але і ядра: у складі космічних променів є ядра елементів аж до заліза). Залежно від орієнтації вектора прильоту частинки відносно магнітного поля Чумацького Шляху кут відхилення може становити до декількох десятків градусів. Знаючи магнітне поле Галактики, можна було б відновити справжній напрямок прильоту (яким він був до відхилення в магнітному полі). Однак наявні моделі магнітного поля Чумацького Шляху поки не дозволяють проводити такий аналіз з достатньою точністю. Тому поки що точність визначення напрямку прильоту в обговорюваному експерименті в будь-якому випадку більше точності, яку ми в принципі можемо досягти. Крім того, першочергове завдання полягає у виявленні хоча б якоїсь неоднорідності в напрямках прильоту космічних променів ультрависоких енергій, а для цього велика точність не потрібна.

В обговорюваній статті використовуються дані з поверхневих детекторів обсерваторії ім. П’єра Оже. Кожен такий детектор — це циліндричний бак з водою високого ступеня очищення об’ємом 12 м³, глибиною 1,2 м і площею основи 10 м². У баку знаходяться три 9-дюймові фотоумножителі, які реєструють черенківське випромінювання, що народжується у воді при проходженні через неї частинок зливи. Живлення фотоумножителів здійснюється за допомогою сонячних батарей (і акумулятора ночами). Сигнал передається по радіо. Синхронізація сигналів з різних детекторів проводиться за GPS.

Отже, результати! На малюнку 4 показано розподіл потоку космічних променів з енергіями більш 8 1916 ¹⁰18 еВ по небесній сфері в екваторіальних координатах. Червона пляма позначає більш високий потік, а синя — нижчий. Один той факт, що максимум цього розподілу знаходиться далеко від напрямку на Галактичний центр вже вказує на позагалактичну природу цих космічних променів. Крім того, при енергіях від 4 ^ст.1 1018 еВ до ⁸ ст.1 1018 еВ неоднорідність потоку не виявлена. Це пояснюється тим, що кут відхилення космічних променів в магнітному полі Галактики при цих енергіях дуже великий і ми просто не можемо спостерігати неоднорідність напрямків їх прильоту. Цей факт ще раз підтверджує позагалактичну природу космічних променів ультрависоких енергій — адже якби неоднорідність напрямків прильоту все-таки виявилася, це свідчило б про те, що такі частинки народжуються всередині нашої Галактики, а не за її межами. Зверніть увагу, що в чисельному вираженні неоднорідність дуже мала: блакитний і червоний кольори відповідають близьким значенням (див. цифри на колірній шкалі). Саме тому виявлення неоднорідності зайняло 12 років роботи експерименту. Тут представлені результати аналізу даних, набраних з 2004 по 2016 рік.

Ріс. 4. Розподіл потоку космічних променів з енергіями більш 8 ¹⁰18 еВ по небесній сфері в екваторіальних координатах. Площина Чумацького Шляху показана пунктирною лінією, напрямок на центр нашої галактики — зірочкою. Біле коло навколо північного полюса позначає область, недоступну для спостережень з місця, де розташована обсерваторія П’єра Оже. Зображення з обговорюваної статті в Science

На малюнку 5 розподіл напрямків прильоту променів показано в галактичних координатах. Центр червоної плями вказує на напрямок, звідки переважно летять космічні промені ультрависоких енергій. Такий напрямок знаходиться за координатами 100 ° прямого сходження і ‑ 24 ° схиляння зі статистичною значимістю в 5,4º. З червоної плями потік космічних променів на 6,5% вищий, ніж з синього.

Ріс. 5. Дані з зображення 4 в галактичних координатах. Напрямок на галактичний центр знаходиться в центрі зображення. Хрестиком показано напрямок на центр червоної плями, два контури навколо хрестика позначають 68- і 95-відсотковий довірчі інтервали. Показано напрямок на максимум розподілу галактик за даними каталогу 2MRS (ромбік), а стрілки показують, як частинки з енергіями E/Z = 2^{: 10}18 еВ і 5 1018 еВ, які прилітають з цього напрямку, відхиляються в магнітному полі Чумацького Шляху (E — енергія, Z — заряд космічного променя). Зображення з обговорюваної статті в Science

Отримані результати поки не вказують чітко, яка природа джерел космічних променів ультрависоких енергій. Можна припустити, що розподіл таких джерел приблизно збігається з розподілом галактик у Всесвіті, у якого є неоднорідність, оскільки галактики в околицях Чумацького Шляху розподілені сильно неоднорідно. У напрямку, вказаному ромбіком на малюнку 5, кількість галактик дещо більша від середньої. Цей напрямок на 55 ° відстоїть від центру червоної плями. Однак якщо взяти до уваги магнітне поле Галактики, яке відхиляє промені (на рис. 5 це відхилення показано стрілками), то виходить, що дані по напрямку на максимум потоку космічних променів і розподілу галактик узгоджуються. Тобто може бути, що зміщення напрямків прильоту космічних променів пояснюється просто відхиленням космічних променів в магнітному полі Чумацького Шляху. Це свідчить на користь вірності нашого припущення про те, що розподіл джерел і розподіл галактик збігаються. Однак поки абсолютно не ясно, що це за джерела — квазари, скупчення галактик, або що-небудь інше.

Ці результати можуть здатися не такими вже вражаючими, але насправді це значний успіх. Офіційний доповідач обсерваторії ім. П’єра Оже професор Карл-Хайнс Камперт (Karl-Heinz Kampert) так висловився про цю роботу: «Ми стали набагато ближче до вирішення дуже цікавого питання для астрофізиків: загадки того, де і як народжуються ці екстраординарні частинки. Наші спостереження дають незаперечний доказ того, що місця їх прискорення знаходяться за межами Чумацького Шляху «. Професор Алан Вотсон (Alan A. Watson), заслужений вчений і один із засновників експерименту, розглядає цей результат, як один з найбільш вражаючих з усіх, що отримані колаборацією обсерваторії. І правда: понад 50 років природа космічних променів ультрависоких енергій була цілковитою загадкою для фізиків, а зараз ми вперше підступили до її розгадки.

Наступний крок — зіставлення напрямків прильоту космічних променів з каталогами різних об’єктів у Всесвіті. Якщо виявиться кореляція з певним типом об’єктів, буде ясно, в якому напрямку потрібно рухатися далі. І можна сподіватися, що недалекий той день, коли ми нарешті з’ясуємо, який саме астрономічний монстр розганяє частинки до ультрависоких енергій.

Джерело: The Pierre Auger Collaboration. Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8×10¹⁸ eV // Science. 2017. V. 357. DOI: 10.1126/science.aan4338.

Михайло Столповський