Таинственные частицы с чудовищной энергией приходят из других галактик

В парке вокруг массива радиотелескопов "Вестерборк" (WSRT) в Голландии есть модель Солнечной системы, создатели которой соблюли масштаб расстояний. Диаметр Солнца там около одного метра. Земля размером со спичечный коробок упрятана под стеклянный колпак, чтобы не наступили. Между тем до Плутона – четыре километра по аллее парка. А чтобы показать расстояние до ближайшей звезды, понадобилась бы половина земного экватора. Галактика – это великая пустота, в которой изредка встречаются звёзды.

И всё же эти просторы не совсем пусты. Там есть газ, пыль, магнитное поле. Тоже очень мало: воздух, которым мы дышим, в 10¹⁷ раз (единица и 17 нулей после неё) плотнее облака межзвёздного газа, и это ещё называется облаком по сравнению с обычной межзвёздной средой.

Ещё там есть космические лучи. Это поток заряженных частиц, в основном протонов, но встречаются электроны, другие частицы и ядра разных атомов. В Солнечной системе основным их поставщиком, конечно, является Солнце с его непрерывным солнечным ветром и регулярными корональными выбросами. Но приходят космические лучи и из глубин Галактики.

Откуда они там берутся? Основной вклад вносят взрывы сверхновых. Похоже, что и гигантская чёрная дыра в центре Галактики тоже создаёт космические лучи. Часть их, вероятно, приходит из атмосферы пульсаров, где разогнанные почти до скорости света частицы движутся в мощнейших магнитных полях. В общем, источников много.

Но есть большая загадка – космические лучи сверхвысоких энергий. Из глубин космоса иногда прилетают такие частицы, что энергия их столкновений с атомами воздуха в десятки раз превышает доступную Большому адронному коллайдеру. Это, кстати, убийственный аргумент против страшилок об ужасных последствиях экспериментов на БАК: испокон веков Земля обстреливается такими частицами и вовсе не думает превращаться в чёрную дыру по этому поводу.

Но откуда берутся эти частицы-монстры? Астрофизики не знают ни одного процесса, который мог бы их так разогнать. Этой загадке уже много десятилетий.

Конечно, здорово помог бы ответ на другой вопрос: какие, собственно, небесные тела их испускают? Увы, и на него ответить очень непросто. Космические лучи ещё в верхних слоях атмосферы сталкиваются с атомами воздуха и вступают в ядерные реакции. Образуются новые частицы, которые тоже сталкиваются с атомами и в свою очередь вступают в реакции, и так далее. Из космоса приходит одна энергичная частица, а до Земли докатывается лавина частиц куда более скромной энергии. Установить, наблюдая эту лавину, откуда к нам прилетела космическая гостья, – задача не из лёгких.

Вывести детекторы на орбиту – тоже непростое дело. На квадратный километр поверхности одна частица со сверхвысокой энергией падает примерно раз в сто лет. Поэтому на Земле используют установки площадью в сотни и тысячи квадратных километров (к слову, одна из таких установок расположена в Бурятии). Так что одним спутником здесь не обойдёшься, нужен целый рой. Это, видимо, дело будущего, тем более что микро- и наноспутники стремительно набирают популярность. А пока учёные пытаются выделить на небе источники космических лучей, применяя тонкие математические методы к данным наземных детекторов.

Некоторые научные коллективы заявляли, что им удалось отыскать такие источники. Но консенсуса по этому поводу среди специалистов нет.

В новом исследовании, опубликованном 22 сентября 2017 года в журнале Science, утверждается, что космические лучи сверхвысоких энергий приходят из других галактик. Работу проделал большой коллектив сотрудников Обсерватории имени Пьера Оже (Pierre Auger Observatory) в Аргентине.

Учёные использовали сеть из 1600 детекторов, развернутых на площади 3000 квадратных километров. Исследователи проанализировали наблюдения за 2004 – 2016 годы. За эти 12 лет приборы зафиксировали более 30 тысяч частиц со сверхвысокой энергией.

Обработав данные, астрономы определили направления, с которых на Землю приходили эти посланцы космоса. И оказалось, что это не диск нашей Галактики, где расположена основная часть её звёзд и других объектов, и не центр, где обосновалась чёрная дыра. Не были эти направления и равномерно рассеяны по небу.

В основном частицы появлялись из обширной области неба, направление на которую перпендикулярно направлению на галактический центр. Объектов нашей Галактики там очень мало. Зато, как отмечают авторы, именно в этом направлении соседние галактики расположены особенно тесно. Оттуда, заключают исследователи, и пришли частицы, разогнанные до невероятных энергий неизвестными пока науке силами.

Заметим, что космические лучи интересуют не только астрономов и физиков-ядерщиков. Именно они прокладывают пути для молний. А ещё от них страдает электроника на космических аппаратах. Конечно, разгадка тайны высокоэнергетических частиц из космоса вряд ли поможет разрешить эти практические проблемы. Зато мы будем знать чуть больше об удивительной Вселенной, в которой живём.