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 .
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.
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]
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]
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]
Другими возможными источниками UHECR являются:
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]