stringtranslate.com

Космические лучи сверхвысокой энергии

В физике астрочастиц космический луч сверхвысокой энергии ( КВЭКР ) — космический луч с энергией более 1 ЭэВ (10 18 электронвольт , примерно 0,16 джоуля ), [1] далеко превосходящей как массу покоя , так и энергии, типичные для других частицы космических лучей.

Эти частицы чрезвычайно редки; В период с 2004 по 2007 год первые запуски обсерватории Пьера Оже (PAO) обнаружили 27 событий с предполагаемой энергией прибытия выше5,7 × 10 19  эВ , то есть примерно одно такое событие каждые четыре недели на площади 3000 км 2 , обследуемой обсерваторией. [2]

Космические лучи экстремальных энергий (EECR) — это UHECR с энергией, превышающей5 × 10 19  эВ (около 8  джоулей , или энергия протона, летящего со скоростью ≈ 99,999 999 999 999 999 999 98 % скорости света), так называемый предел Грейзена–Зацепина–Кузьмина (предел ГЗК). Этим пределом должна быть максимальная энергия протонов космических лучей, преодолевших большие расстояния (около 160 миллионов световых лет), поскольку протоны с более высокой энергией потеряли бы энергию на этом расстоянии из-за рассеяния на фотонах космического микроволнового фона (CMB). Из этого следует, что EECR не могли быть пережитками ранней Вселенной , а были космологически «молодыми», испущенными где-то в Местном сверхскоплении каким-то неизвестным физическим процессом.

Если EECR — это не протон, а ядро ​​с А- нуклонами, то предел ГЗК распространяется на его нуклоны, несущие лишь долю1/Аполной энергии ядра. Есть свидетельства того, что эти космические лучи с самой высокой энергией могут быть ядрами железа , а не протонами, которые составляют большинство космических лучей. [3] Для ядра железа соответствующий предел будет равен2,8 × 10 21  эВ . Однако процессы ядерной физики приводят к ограничениям для ядер железа, аналогичным ограничениям для протонов. Другие многочисленные ядра должны иметь еще более низкие пределы.

Гипотетические источники EECR известны как зеватроны , названные по аналогии с беватроном Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и тэватроном Фермилабы и, следовательно , способные ускорять частицы до 1 ЗэВ (10 21  эВ, зетта-электронвольт). В 2004 году рассматривалась возможность того, что галактические джеты действуют как зеватроны за счет диффузионного ускорения частиц, вызванного ударными волнами внутри джетов. В частности, модели предполагали, что ударные волны от близлежащего галактического джета M87 могут ускорить ядро ​​железа до диапазона ЗэВ. [4] В 2007 году Обсерватория Пьера Оже наблюдала корреляцию EECR с внегалактическими сверхмассивными черными дырами в центрах близлежащих галактик, называемыми активными галактическими ядрами (AGN) . [5] Однако сила корреляции стала слабее по мере продолжения наблюдений. Чрезвычайно высокие энергии могут быть также объяснены центробежным механизмом ускорения [6] в магнитосферах АЯГ , хотя новые результаты показывают, что менее 40% этих космических лучей, по-видимому, исходят от АЯГ, что является гораздо более слабой корреляцией, чем сообщалось ранее. . [3] Более умозрительное предположение Гриба и Павлова (2007, 2008) предусматривает распад сверхтяжелой темной материи  посредством процесса Пенроуза .

История наблюдений

Первое наблюдение частицы космических лучей с энергией, превышающей1,0 × 10 20  эВ (16 Дж) был получен Джоном Линсли и Ливио Скарси в эксперименте на ранчо Вулкан в Нью-Мексико в 1962 году. [7] [8]

С тех пор наблюдались частицы космических лучей с еще более высокими энергиями. Среди них была частица «О-Мой-Боже», наблюдаемая в ходе эксперимента «Глаз мухи» Университета штата Юта вечером 15 октября 1991 года над испытательным полигоном Дагвей , штат Юта. Его наблюдение стало шоком для астрофизиков , которые оценили его энергию примерно в3,2 × 10 20  эВ (50 Дж) [9] — другими словами, атомное ядро ​​с кинетической энергией, равной энергии бейсбольного мяча (5 унций или 142 грамма), движущегося со скоростью около 100 километров в час (60 миль в час).

Энергия этой частицы примерно в 40 миллионов раз превышает энергию протонов самой высокой энергии, которые были произведены на любом земном ускорителе частиц . Однако лишь небольшая часть этой энергии будет доступна для взаимодействия с протоном или нейтроном на Земле, при этом большая часть энергии останется в виде кинетической энергии продуктов взаимодействия (см. « Коллайдер § Объяснение »). Эффективная энергия, доступная для такого столкновения, равна квадратному корню из двойного произведения энергии частицы и массовой энергии протона, что для этой частицы дает7,5 × 10 14  эВ , что примерно в 50 раз превышает энергию столкновения Большого адронного коллайдера .

С момента первого наблюдения, проведенного детектором космических лучей Fly's Eye Университета Юты , было зарегистрировано как минимум пятнадцать подобных событий, подтверждающих это явление. Эти частицы космических лучей очень высокой энергии встречаются очень редко; энергия большинства частиц космических лучей составляет от 10 МэВ до 10 ГэВ.

Обсерватории космических лучей сверхвысоких энергий

Обсерватория Пьера Оже

Обсерватория Пьера Оже — международная обсерватория космических лучей, предназначенная для обнаружения частиц космических лучей сверхвысоких энергий (с энергией выше 10 20 эВ  ). Эти частицы высокой энергии имеют расчетную скорость прибытия всего 1 на квадратный километр в столетие, поэтому, чтобы зарегистрировать большое количество этих событий, Оже-обсерватория создала зону обнаружения площадью 3000 км 2 (размер Род-Айленда). ) в провинции Мендоса , западная Аргентина . Обсерватория Пьера Оже, помимо получения информации о направлении из группы резервуаров с водой, используемых для наблюдения за компонентами потока космических лучей, также имеет четыре телескопа, направленных на ночное небо для наблюдения флуоресценции молекул азота , когда частицы потока пересекают небе, что дает дополнительную информацию о направлении исходной частицы космических лучей.

В сентябре 2017 года данные 12-летних наблюдений ПАО подтвердили наличие внегалактического источника (за пределами земной галактики) происхождения космических лучей чрезвычайно высокой энергии. [10]

Предлагаемые объяснения

Нейтронные звезды

Одним из предполагаемых источников частиц UHECR является их происхождение от нейтронных звезд . В молодых нейтронных звездах с периодами вращения <10 мс магнитогидродинамические (МГД) силы со стороны квазинейтральной жидкости сверхпроводящих протонов и электронов, существующей в нейтронной сверхтекучести , ускоряют ядра железа до скоростей UHECR. Нейтронная сверхтекучесть в быстро вращающихся звездах создает магнитное поле силой от 10 8 до 10 11 тесла, в этот момент нейтронная звезда классифицируется как магнетар . Это магнитное поле является самым сильным стабильным полем в наблюдаемой Вселенной и создает релятивистский МГД-ветер, который, как полагают, ускоряет ядра железа, оставшиеся от сверхновой, до необходимой энергии.

Другой предполагаемый источник UHECR от нейтронных звезд - это процесс сгорания нейтронной звезды в странную звезду . Эта гипотеза основана на предположении, что странная материя — это основное состояние материи, для подтверждения которого нет экспериментальных или наблюдательных данных. Из-за огромного гравитационного давления нейтронной звезды считается, что небольшие карманы материи, состоящие из верхних , нижних и странных кварков, находящихся в равновесии, действуют как один адрон (в отличие от множества кварков).
Σ0
барионы
). Затем вся звезда сожжется до странной материи, после чего нейтронная звезда станет странной звездой, и ее магнитное поле разрушается, что происходит потому, что протоны и нейтроны в квазинейтральной жидкости превратились в страйгллеты . Этот пробой магнитного поля приводит к высвобождению электромагнитных волн большой амплитуды (LAEMW). LAEMW ускоряют остатки легких ионов сверхновой до энергий UHECR.

« Электроны космических лучей сверхвысокой энергии » (определяемые как электроны с энергией ≥10 14 эВ ) могут быть объяснены центробежным механизмом ускорения в магнитосферах крабоподобных пульсаров . [11] Возможность ускорения электронов до этого энергетического масштаба в магнитосфере Крабовидного пульсара подтверждается наблюдением в 2019 году гамма-лучей сверхвысокой энергии, исходящих из Крабовидной туманности , молодого пульсара с периодом вращения 33 мс. [12]

Активные ядра галактик

Взаимодействие с космическим микроволновым фоновым излучением, смещенным в синий цвет, ограничивает расстояние, на которое эти частицы могут пройти, прежде чем потерять энергию; это известно как предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина или предел ГЗК.

Источник частиц столь высоких энергий долгие годы оставался загадкой. Недавние результаты обсерватории Пьера Оже показывают, что направления прибытия космических лучей сверхвысокой энергии, по-видимому, коррелируют с внегалактическими сверхмассивными черными дырами в центрах близлежащих галактик, называемыми активными галактическими ядрами (AGN) . [5] Однако, поскольку используемый масштаб угловой корреляции довольно велик (3,1°), эти результаты не позволяют однозначно определить происхождение таких частиц космических лучей. АЯГ может быть просто тесно связано с реальными источниками, например, в галактиках или других астрофизических объектах, которые сгруппированы с материей в больших масштабах в пределах 100 мегапарсек . [ нужна цитата ]

Известно, что некоторые из сверхмассивных черных дыр в АЯГ вращаются, как, например, сейфертовская галактика MCG 6-30-15 [13] с переменными во времени внутренними аккреционными дисками. [14] Вращение черной дыры является потенциально эффективным агентом для стимулирования образования UHECR, [15] при условии, что ионы запускаются соответствующим образом, чтобы обойти ограничивающие факторы глубоко внутри ядра галактики, в частности, излучение кривизны [16] и неупругое рассеяние с излучением внутреннего диска. Прерывистые сейфертовские галактики с низкой светимостью могут удовлетворить этим требованиям за счет формирования линейного ускорителя на расстоянии нескольких световых лет от ядра, но в пределах своих протяженных ионных торов, УФ-излучение которых обеспечивает поставку ионных примесей. [17] Соответствующие электрические поля малы, порядка 10 В/см, поэтому наблюдаемые UHECR указывают на астрономический размер источника. Улучшенная статистика обсерватории Пьера Оже будет способствовать выявлению существующей в настоящее время предварительной связи UHECR (из Местной Вселенной) с сейфертовскими и LINER-объектами . [18]

Другие возможные источники частиц

Другими возможными источниками UHECR являются:

Связь с темной материей

Предполагается, что активные ядра галактик способны превращать темную материю в протоны высокой энергии. Юрий Павлов и Андрей Гриб из Лаборатории теоретической физики Александра Фридмана в Санкт-Петербурге выдвигают гипотезу, что частицы темной материи примерно в 15 раз тяжелее протонов и что они могут распадаться на пары более тяжелых виртуальных частиц того типа, который взаимодействует с обычной материей. [24] Вблизи активного ядра галактики одна из этих частиц может упасть в черную дыру, а другая ускользнуть, как это описано в процессе Пенроуза . Некоторые из этих частиц будут сталкиваться с приближающимися частицами; это столкновения очень высоких энергий, которые, по мнению Павлова, могут образовывать обычные видимые протоны с очень высокой энергией. Затем Павлов утверждает, что свидетельством таких процессов являются частицы космических лучей сверхвысокой энергии. [25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Алвес Батиста, Рафаэль; Бито, Джонатан; Бустаманте, Маурисио; Долаг, Клаус; Энгель, Ральф; Фанг, Кэ; Камперт, Карл-Хайнц; Костунин Дмитрий; Мостафа, Мигель; Мурасе, Кохта; Ойконому, Фотейни; Олинто, Анджела В.; Панасюк Михаил Игоревич; Зигль, Гюнтер; Тейлор, Эндрю М.; Унгер, Майкл (2019). «Открытые вопросы исследования космических лучей при сверхвысоких энергиях». Границы астрономии и космических наук . 6 : 23.arXiv : 1903.06714 . Бибкод : 2019FrASS...6...23B. дои : 10.3389/fspas.2019.00023 .
  2. ^ Уотсон, ЖЖ; Мортлок, диджей; Яффе, АХ (2011). «Байесовский анализ 27 космических лучей с самой высокой энергией, обнаруженных обсерваторией Пьера Оже». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 418 (1): 206–213. arXiv : 1010.0911 . Бибкод : 2011MNRAS.418..206W. дои : 10.1111/j.1365-2966.2011.19476.x. S2CID  119068104.
  3. ^ ab Hand, E (22 февраля 2010 г.). «Теория космических лучей разваливается». Природа . 463 (7284): 1011. дои : 10.1038/4631011a . ПМИД  20182484.
  4. ^ Хонда, М.; Хонда, Ю.С. (2004). «Нитевидные струи как космический луч «Зеватрон»". Письма Astrophysical Journal . 617 (1): L37–L40. arXiv : astro-ph/0411101 . Bibcode : 2004ApJ...617L..37H. doi : 10.1086/427067. S2CID  11338689.
  5. ^ ab Сотрудничество Пьера Оже ; Абреу; Аглиетта; Агирре; Аллард; Аллекотте; Аллен; Эллисон; Альварес; Альварес-Мунис; Амбросио; Анкордоки; Андринга; Анзалоне; Арамо; Аргиро; Арисака; Арменгауд; Арнеодо; Аркерос; Аш; Асори; Ассис; Атулугама; Облин; пр.; Авила; Покровитель; Баданьяни; и другие. (2007). «Корреляция космических лучей высочайшей энергии с близлежащими внегалактическими объектами». Наука . 318 (5852): 938–943. arXiv : 0711.2256 . Бибкод : 2007Sci...318..938P. дои : 10.1126/science.1151124. PMID  17991855. S2CID  118376969.
  6. ^ Османов, З.; Махаджан, С.; Мачабели, Г.; Чхеидзе, Н. (2014). «Чрезвычайно эффективный Зеватрон во вращающихся магнитосферах АЯГ». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 445 (4): 4155–4160. arXiv : 1404.3176 . Бибкод : 2014MNRAS.445.4155O. doi : 10.1093/mnras/stu2042. S2CID  119195822.
  7. ^ Линсли, Дж. (1963). «Доказательства существования первичной частицы космических лучей с энергией 10 20 эВ». Письма о физических отзывах . 10 (4): 146–148. Бибкод : 1963PhRvL..10..146L. doi :10.1103/PhysRevLett.10.146.
  8. ^ Сакар, С. (1 сентября 2002 г.). «Может ли быть виден конец космических лучей сверхвысоких энергий?». Мир физики . стр. 23–24 . Проверено 21 июля 2014 г.
  9. ^ Баэз, JC (июль 2012 г.). «Открытые вопросы физики». ДЭЗИ . Проверено 21 июля 2014 г.
  10. ^ «Исследование подтверждает, что космические лучи имеют внегалактическое происхождение». ЭврекАлерт! . 21 сентября 2017 года . Проверено 22 сентября 2017 г.
  11. ^ Махаджан, Сводеш; Мачабели, Джордж; Османов, Заза; Чхеидзе, Нино (2013). «Электроны сверхвысокой энергии, питаемые вращением пульсара». Научные отчеты . Спрингер. 3 (1): 1262. arXiv : 1303.2093 . Бибкод : 2013NatSR...3E1262M. дои : 10.1038/srep01262. ISSN  2045-2322. ПМК 3569628 . ПМИД  23405276. 
  12. Аменомори, М. (13 июня 2019 г.). «Первое обнаружение фотонов с энергией выше 100 ТэВ из астрофизического источника». Физ. Преподобный Летт . 123 (5): 051101. arXiv : 1906.05521 . Бибкод : 2019PhRvL.123e1101A. doi : 10.1103/PhysRevLett.123.051101. PMID  31491288. S2CID  189762075 . Проверено 8 июля 2019 г.
  13. ^ Танака, Ю.; и другие. (1995). «Гравитационно-красное смещение излучения, предполагающее наличие аккреционного диска и массивной черной дыры в активной галактике MCG-6-30-15». Природа . 375 (6533): 659–661. Бибкод : 1995Natur.375..659T. дои : 10.1038/375659a0. S2CID  4348405.
  14. ^ Ивасава, К.; и другие. (1996). «Переменная линия эмиссии железа К в МЦГ-6-30-15». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 282 (3): 1038–1048. arXiv : astro-ph/9606103 . Бибкод : 1996MNRAS.282.1038I. дои : 10.1093/mnras/282.3.1038.
  15. ^ Болдт, Э.; Гош, П. (1999). «Космические лучи от остатков квазаров?». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 307 (3): 491–494. arXiv : astro-ph/9902342 . Бибкод : 1999MNRAS.307..491B. дои : 10.1046/j.1365-8711.1999.02600.x. S2CID  14628933.
  16. ^ Левинсон, А. (2000). «Ускорение частиц и кривизна ТэВ-излучения вращающимися сверхмассивными черными дырами». Письма о физических отзывах . 85 (5): 912–915. Бибкод : 2000PhRvL..85..912L. doi : 10.1103/PhysRevLett.85.912. ПМИД  10991437.
  17. ^ ван Путтен, MHPM; Гупта, AC (2009). «Нетепловые переходные источники из вращающихся черных дыр». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 394 (4): 2238–2246. arXiv : 0901.1674 . Бибкод : 2009MNRAS.394.2238V. дои : 10.1111/j.1365-2966.2009.14492.x. S2CID  3036558.
  18. ^ Москаленко, ИВ; Ставарц, Л.; Портер, штат Калифорния; Чунг, К.-К. (2009). «О возможной ассоциации космических лучей сверхвысоких энергий с близлежащими активными галактиками». Астрофизический журнал . 63 (2): 1261–1267. arXiv : 0805.1260 . Бибкод : 2009ApJ...693.1261M. дои : 10.1088/0004-637X/693/2/1261. S2CID  9378800.
  19. ^ Ван, X.-Y.; Раззак, С.; Месарош, П.; Дай, З.-Г. (2007). «Высокоэнергетические космические лучи и нейтрино полурелятивистских гиперновых». Физический обзор D . 76 (8): 083009. arXiv : 0705.0027 . Бибкод : 2007PhRvD..76h3009W. doi :10.1103/PhysRevD.76.083009. S2CID  119626781.
  20. ^ Чакраборти, С.; Рэй, А.; Содерберг, AM ; Леб, А.; Чандра, П. (2011). «Ускорение космических лучей сверхвысокой энергии в релятивистских сверхновых с приводом от двигателя». Природные коммуникации . 2 : 175. arXiv : 1012.0850 . Бибкод : 2011NatCo...2..175C. дои : 10.1038/ncomms1178. PMID  21285953. S2CID  12490883.
  21. ^ Ваксман, Э. (1995). «Космологические гамма-всплески и космические лучи высочайшей энергии». Письма о физических отзывах . 75 (3): 386–389. arXiv : astro-ph/9505082 . Бибкод : 1995PhRvL..75..386W. doi : 10.1103/PhysRevLett.75.386. PMID  10060008. S2CID  9827099.
  22. ^ Милгром, М.; Усов, В. (1995). «Возможная связь событий космических лучей сверхвысоких энергий с сильными гамма-всплесками». Письма астрофизического журнала . 449 : Л37. arXiv : astro-ph/9505009 . Бибкод : 1995ApJ...449L..37M. дои : 10.1086/309633. S2CID  118923079.
  23. ^ Ханссон, Дж; Сандин, Ф (2005). «Преоновые звезды: новый класс космических компактных объектов». Буквы по физике Б. 616 (1–2): 1–7. arXiv : astro-ph/0410417 . Бибкод : 2005PhLB..616....1H. doi :10.1016/j.physletb.2005.04.034. S2CID  119063004.
  24. ^ Гриб, А.А.; Павлов, Ю. В. (2009). «Активные ядра галактик и трансформация темной материи в видимую материю». Гравитация и космология . 15 (1): 44–48. arXiv : 0810.1724 . Бибкод : 2009GrCo...15...44G. дои : 10.1134/S0202289309010125. S2CID  13867079.
  25. ^ Гриб, А.А.; Павлов, Ю. В. (2008). «Превращают ли активные ядра галактик темную материю в видимые частицы?». Буквы по современной физике А. 23 (16): 1151–1159. arXiv : 0712.2667 . Бибкод : 2008МПЛА...23.1151Г. дои : 10.1142/S0217732308027072. S2CID  14457527.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки