На Земле наши ускорители частиц могут достигать энергий в тераэлектронвольтах (ТэВ). Частицы из космоса обладают энергией в тысячи раз большей.
Кредит : Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige
Здесь, на Земле, если вы хотите наблюдать частицы при максимально возможных энергиях, у вас есть два потенциальных подхода, из которых вы можете выбирать. Вы можете изолировать заряженные частицы в лаборатории и ускорять их с помощью комбинации электрических и магнитных полей, либо линейно, либо по круговой траектории, до все более высоких энергий, прежде чем либо выпустить их в определенном направлении, либо разбить их на другие частицы. Эти эксперименты по физике частиц создали огромное количество частиц высокой энергии и дали нам огромное количество данных, полезных для изучения природы, позволяя нам понять строительные блоки реальности на фундаментальном уровне. Мы ускоряли частицы до энергий в ГэВ и даже ТэВ в лаборатории: до миллиардов (10 9 ) или даже триллионов (10 12 ) электрон-вольт. Но природа, даже в глубинах космоса, имеет способы намного превзойти все, чего люди могут достичь на Земле. Естественные ускорители частиц — в виде областей звездообразования, черных дыр, сверхновых и даже пульсирующих нейтронных звезд — часто достигают энергий, намного больших, чем даже те, которые обнаружены в Большом адронном коллайдере. В то время как LHC ограничивается примерно 7 ТэВ (тераэлектронвольт) энергии на частицу, космические лучи часто обнаруживаются на масштабах ПэВ (петаэлектронвольт, или 10 15 электронвольт) или даже выше. Долгое время мы могли только предполагать, откуда возникли эти частицы. Но теперь астрономы приближаются к происхождению этих очень высокоэнергетических космических частиц, и наша собственная галактика выглядит виновником.
Космические лучи — это одно из тех явлений, которые мы наблюдали задолго до того, как получили теоретическое понимание того, что должно быть во Вселенной, чтобы их создать. Ранние эксперименты по физике элементарных частиц, проведенные с помощью воздушных шаров, а затем наземные эксперименты с камерами Вильсона, выявили множество частиц, обладающих широким спектром свойств. При приложении магнитного поля частицы космических лучей изгибались по-разному. Собранные вместе данные показали:
- частицы разных энергий,
- частицы с различными электрическими зарядами и отношениями заряда к массе,
- и частицы разного происхождения: от нашего Солнца, от галактики и случайным образом по небу.
Со временем астрономы и физики, изучавшие эти космические лучи, начали измерять их все точнее и точнее. Мы получили прямые измерения космических лучей, отправив детекторы в космос. Мы обнаружили ливни космических лучей, наблюдая за частицами, образующимися при попадании космических лучей в верхние слои атмосферы Земли. Мы обнаружили космические нейтрино напрямую с помощью таких аппаратов, как IceCube. И мы обнаруживаем черенковский свет — или свет от быстро движущихся частиц, которые входят в атмосферу и превышают скорость света в этой среде, — что позволяет нам реконструировать как энергию, так и, иногда, направление происхождения частиц, которые породили эти наблюдаемые явления.
Одним из наиболее интересных результатов, полученных в результате исследований космических лучей, является диаграмма особой формы, описывающая обилие или поток космических лучей как функцию энергии этих лучей. Известный как энергетический спектр космических лучей, спектр следует простой, прямой кривой, как вы могли бы ожидать:
- с большим числом космических частиц при более низких энергиях,
- и затем с меньшими числами по мере увеличения энергий,
- все они следуют простой зависимости, которая при построении в логарифмическом масштабе образует прямую линию.
Но выше определенного энергетического порога — примерно несколько ПэВ по энергии — то, что до этого момента было прямой линией зависимости между количеством частиц в каждом конкретном диапазоне энергий, внезапно меняется: явление, которое астрономы называют «коленом» (или иногда «первым коленом») в энергетическом спектре космических лучей. Из-за различных эффектов, которые, как известно, испытывают материя и излучение, когда они путешествуют через межгалактическое пространство с очень высокими энергиями, долгое время считалось, что эти космические лучи с самой высокой энергией, от энергий ПэВ и выше, должны были возникнуть где-то внутри нашей собственной галактики, а не из какого-либо внегалактического источника.
Эта фотография получила большой толчок несколько лет назад от того, что может показаться на первый взгляд не связанным с этим источником информации: детектор нейтрино IceCube. IceCube — это подольдовый детектор нейтрино в Антарктиде, с более чем миллиардом тонн (гигатонной) льда — более километра по стороне во всех трех измерениях — служащий объемом для взаимодействия нейтрино. Когда они это делают, они производят другие частицы, которые распространяются через лед, и в частности частицы, которые движутся быстрее скорости света в среде этого льда. Когда эти частицы движутся быстрее света в этой среде, они испускают конус синего света: черенковское излучение, пока они движутся через эту среду со сверхсветовой скоростью. Внутри льда IceCube установил сеть из более чем 5000 цифровых оптических модулей, или «струн», которые обнаруживают присутствие этого черенковского света, генерируемого частицей, проходящей через лед. Данные, собранные этими оптическими модулями, позволяют ученым реконструировать путь, импульс, энергию и другие свойства этих заряженных частиц, генерируемых взаимодействующими нейтрино. Примечательно, что IceCube недавно определил, что существует очень высокая (4,5-сигма, или всего 0,00034% шанса случайности) вероятность того, что высокоэнергетические нейтрино с энергиями ТэВ и выше прилетают к нам, возникнув в галактической плоскости Млечного Пути.
Независимо от этого, в апреле 2019 года, Большая высотная обсерватория атмосферных ливней (LHAASO), расположенная в Китае, начала научную деятельность. На очень больших высотах три огромных бассейна с водой, содержащие дюжину телескопов между ними, предназначены для захвата тех самых высокоэнергетических черенковских фотонов, испускаемых быстро движущимися космическими лучами, которые попадают в эти бассейны. После начала научной деятельности LHAASO начала видеть чрезвычайно высокоэнергетические космические частицы , даже выше 1 ПэВ по энергии, в значительном количестве. Благодаря своей конструкции и возможностям, LHAASO способна определять направление происхождения самых высокоэнергетических космических лучей, которые поступают, что даже приводит к идентификации новых структур в нашей собственной галактике .
Первый каталог LHAASO был публично опубликован в 2024 году , в нем было представлено колоссальное количество источников космических лучей сверхвысокой энергии — 43. Типы космических лучей, к которым чувствителен LHAASO, в первую очередь сосредоточены на том, что изначально было гамма-фотонами, которые возникают, когда более распространенные частицы (протоны, ионы, электроны и т. д.) ускоряются сильными электрическими и магнитными полями в их исходной астрофизической среде и сталкиваются с другими частицами, присутствующими там, создавая в процессе гамма-фотоны сверхвысокой энергии в диапазоне энергий ПэВ. Затем эти фотоны движутся по прямой линии, и когда они случайно попадают в атмосферу Земли, они производят сигналы, которые видит LHAASO.
Раньше главным вопросом относительно космических лучей с энергией ПэВ и выше был: «Существуют ли в нашей галактике ПэВ-троны, которые являются астрофизическими двигателями, генерирующими эти сверхвысокоэнергетические космические лучи?» Теперь у нас есть возможность определить ответ на несколько важных вопросов.
- Прибывают ли обнаруживаемые нейтрино, включая нейтрино высоких энергий, из определенного места в небе?
- Когда мы видим космические лучи, возникающие из-за попадания гамма-лучей в атмосферу, указывают ли они на интересующий нас объект, существующий в нашей галактике, и возможный источник этих гамма-лучей?
- А когда мы объединяем сигналы, которые мы видим и которые не видим, подтверждают ли они сценарий, в котором были образованы как электроны, так и адроны (т. е. частицы, состоящие из кварков), или сценарий, в котором были образованы только электроны?
Возможность ответить на подобные вопросы позволяет нам совершить поразительный скачок: от вопроса о том, существуют ли ПэВа-троны в нашей галактике, к гораздо более конкретному вопросу: «Что такое ПэВатроны и где они находятся?» Оказывается, существует несколько различных кандидатов на роль типов астрофизических сред, которые могут создавать эти частицы с энергией ПэВ.
Если вы видите нейтрино, это говорит вам, что адроны были частью истории. Вы производите нейтрино только в процессах, которые включают распады из адронных состояний, и поэтому это означает, что у вас должна быть среда, которая способна ускорять протоны и другие более тяжелые атомные ядра. Это означает, что вам нужны экстремальные условия, которые встречаются только в нескольких космических средах:
- в новых регионах звездообразования,
- в недавних сверхновых и новых остатках сверхновых,
- и вокруг активных, питающих черных дыр.
В этих горячих средах атомы ионизируются, а затем заряженные частицы ускоряются сильными электромагнитными полями, присутствующими внутри них. Они ускоряются до таких больших энергий, что когда они врезаются в окружающий их материал, они производят всевозможные вторичные частицы — включая нейтрино и гамма-фотоны — которые разлетаются во всех направлениях. Но также возможно иметь среду, которая не ускоряет эффективно тяжелые частицы, такие как протоны или ионы, но вместо этого эффективна только для ускорения самых легких заряженных частиц: частиц с самым высоким отношением заряда к массе. Эти частицы известны как электроны (и их антиматерия, позитроны), и есть тип местоположения, который ускоряет их и только их: туманности пульсарного ветра .
Крабовидная туманность , показанная выше, показана в довольно непривычном виде: в инфракрасном свете, как видно JWST. Хотя многие из деталей могут показаться знакомыми, есть кое-что новое, что появляется в глазах JWST: тонкие, похожие на дым нити, заполняющие внутреннюю часть. Это ускоренные электроны, которые разгоняются электромагнитными полями, создаваемыми интенсивно вращающейся центральной нейтронной звездой. Конечно, эти электроны могут врезаться в свое окружение и производить высокоэнергетические фотоны — гамма-лучи — которые затем могут перемещаться по прямым линиям, как и любые другие гамма-лучи: вплоть до того момента, как они прибывают на Землю и создают ливни частиц космических лучей, которые затем могут обнаружить наши приборы. Это ключевой аспект для понимания: когда у вас есть электроны, генерируемые только вашим астрономическим источником, например, туманностью пульсарного ветра, вы не получите нейтрино или любую другую адронную сигнатуру. Хотя существует несколько возможных астрофизических сред, которые могли бы служить PeVatrons, единственным кандидатом, который ускоряет только электроны, а не протоны или ионы, является туманность пульсарного ветра. Вот почему было так волнительно, когда всего несколько месяцев назад событие космических лучей, вызванное гамма-излучением, 1LHAASO J0343+5254u , было успешно отслежено до места на небе в пределах галактической плоскости, которое как раз оказалось потенциальным местом его возникновения: туманностью пульсарного ветра.
Ключевым моментом было проведение последующих наблюдений с помощью рентгеновского телескопа: в данном случае XMM-Newton. Когда вы видите космические лучи, которые приходят с энергией около ~100 ТэВ или более, это говорит вам, что первоначальное событие, которое их породило, было, вероятно, по крайней мере в 10 раз более энергичным, что делает его событием PeVatron. Это событие имело энергию, которая достигала около 200 ТэВ, и оно выглядело как протяженный источник в небе: охватывая почти треть градуса. Не было обнаружено низкоэнергетического аналога, что делает неблагоприятным большинство адронных вариантов происхождения космических лучей, но открытие туманности пульсарного ветра как вероятного рентгеновского аналога является основополагающим.
Во-первых, это устанавливает это конкретное событие с энергией PeV как источник космических лучей, вызванный ветром пульсара: тот, который является чисто лептонным без адронного аналога. Во-вторых, это переносит нас в эпоху, когда мы действительно можем проследить эти прибывающие сверхвысокоэнергетические космические лучи до источника в пределах нашего собственного Млечного Пути, и по крайней мере в одном случае это раскрыло природу источника. Обратите внимание, что были сделаны и другие идентификации: молекулярные облака были обнаружены в области пространства, связанной с событием PeVatron LHAASO J0341+5258: вероятное адронное событие. И с последующими наблюдениями Swift было обнаружено, что событие PeVatron 1LHAASO J1928+1813u имеет низкоэнергетический аналог, еще одно доказательство адронного варианта.
Забавно, что когда большинство из нас слышит термин «многоканальная астрономия», мы все еще думаем о сливающейся паре нейтронных звезд, которую мы обнаружили еще в 2017 году, когда мы обнаружили:
- гравитационные волны от спирали и слияния,
- гамма-лучи, испущенные всего через 1,7 секунды после окончания слияния,
- а затем последующее свечение по всему электромагнитному спектру.
Это действительно пример многоканальной астрономии, но любая комбинация хотя бы двух из света, частиц или гравитационных волн также является примером. Если вы сможете синтезировать наблюдения черенковского света, возникающего из космических лучей (частиц), нейтрино (как это видно на IceCube), а затем добавить прямые данные из рентгеновских и гамма-обсерваторий , у вас будет возможность раскрыть источник, из которого произошли эти сигналы. Некоторые из них будут областями звездообразования. Другие будут звездными катаклизмами. Некоторые будут сверхновыми; другие будут черными дырами. Некоторые из них — те, где нет нейтрино — даже будут иметь туманности пульсарного ветра в качестве источника своего происхождения. Как сказал профессор Шоу Чжан, чья группа в Мичиганском государственном университете возглавляет эти усилия по идентификации и ассоциации, «Благодаря идентификации и классификации источников космических лучей, наши усилия, как мы надеемся, могут предоставить полный каталог источников космических лучей с классификацией. Это может послужить наследием для будущих нейтринных обсерваторий и традиционных телескопов для проведения более глубоких исследований механизмов ускорения частиц». Наука — это поистине глобальное начинание, и когда мы открыто делимся нашими данными и результатами, мы можем сложить части вместе, чтобы решить головоломки, решения которых остались бы неуловимыми, если бы мы не объединили доказательства из всех различных обсерваторий.
