Космические лучи, которые не должны существовать: как они нарушают законы физики и что они могут нам рассказать о Вселенной

Космос полон тайн и загадок, которые заставляют нас задумываться о происхождении и судьбе Вселенной. Одной из таких загадок являются космические лучи со сверхвысокой энергией — субатомные частицы, которые обладают невероятной энергией, превышающей все известные нам источники и теоретические пределы. Откуда они исходят и как они добираются до Земли — вопросы, которые пока не находят ответа.

Что такое космические лучи?

Космические лучи — это поток заряженных частиц, которые постоянно бомбардируют нашу планету из космоса. Они состоят из протонов, электронов или атомных ядер, которые имеют различный диапазон энергий. Большинство космических лучей имеют низкую или среднюю энергию и происходят из нашей галактики, где они ускоряются в результате взрывов сверхновых, магнитных полей или других явлений. Однако существуют и космические лучи с очень высокой энергией, которые, по всей видимости, приходят из других галактик или даже из других областей Вселенной. Эти частицы называются ультра высокоэнергетическими космическими лучами (УВЭКЛ).

УВЭКЛ — это редкие и экстремальные события, которые поражают своей мощью. Одна такая частица может иметь энергию, сравнимую с энергией бейсбольного мяча, брошенного с большой скоростью, или десятки миллионов раз больше, чем может достичь самый мощный созданный человечеством ускоритель частиц — Большой адронный коллайдер. Когда УВЭКЛ попадают в атмосферу Земли, они вызывают каскад вторичных частиц, которые рассеиваются на большой площади. Для обнаружения этих частиц используются специальные детекторы, которые покрывают сотни квадратных километров земной поверхности.

Откуда они берутся?

Источник и механизм ускорения УВЭКЛ остаются неизвестными. Известно, что для создания таких частиц нужны огромные количества энергии и очень высокие магнитные поля, которые могут удерживать частицу во время ее ускорения. Такие условия могут быть в активных галактических ядрах, черных дырах, гамма-всплесках или других космических катастрофах. Однако ни один из этих потенциальных источников не находится в том направлении, откуда приходят УВЭКЛ, по крайней мере, по данным наблюдений.

Дело в том, что УВЭКЛ имеют заряд и подвержены воздействию магнитных полей, которые искривляют их траекторию. Чем больше заряд и меньше энергия частицы, тем сильнее она отклоняется от своего первоначального направления. Поэтому большинство космических лучей невозможно проследить до своего источника. Однако УВЭКЛ настолько энергичны, что могут преодолеть магнитные поля и двигаться по прямой линии. По крайней мере, так считается по теории.

Почему они нарушают теорию?

Теория, которая описывает взаимодействие УВЭКЛ с микроволновым фоновым излучением, называется пределом Грейзена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК) Это предел, который определяет максимальную энергию, которую может иметь протон, путешествующий на большие расстояния в космосе. Если энергия протона превышает этот предел, то он теряет свою энергию в результате столкновения с фотонами микроволнового фонового излучения, которое заполняет Вселенную. Это означает, что УВЭКЛ не могут добраться до Земли из далеких источников, так как они потеряют свою энергию по пути.

Однако наблюдения показывают, что УВЭКЛ существуют и имеют энергию, которая значительно превышает предел GZK. Первая такая частица была обнаружена в 1991 году и получила прозвище «Oh-My-God» («Боже мой»). Ее энергия была в 3,2 x 10²⁰ электрон-вольт, что в 50 раз больше, чем предел ГЗК. С тех пор было зарегистрировано несколько десятков подобных частиц, в том числе вторая по величине частица «Amaterasu» («Аматерасу»), обнаруженная в 2021 году с энергией в 2,4 x 10²⁰ электрон-вольт. Эти частицы нарушают теорию и ставят под сомнение наше понимание физики частиц и космологии.

Как их изучать?

Для изучения УВЭКЛ нужны большие и чувствительные детекторы, которые могут регистрировать вторичные частицы, возникающие при их взаимодействии с атмосферой. Один из таких детекторов — это Телескопический массив, расположенный в пустыне штата Юта, США. Это совместный проект Университета Юты и Университета Токио, который состоит из 507 станций поверхностного детектора, расположенных в квадратной сетке, которые покрывают площадь в 700 км². Эти детекторы могут измерять время, направление и энергию УВЭКЛ, а также их состав. По составу частиц можно судить о том, как они ускорялись и какие магнитные поля они преодолели. Например, частицы с большим зарядом, такие как ядра железа, более подвержены изгибу в магнитных полях, чем частицы с меньшим зарядом, такие как протоны. По данным Телескопического массива, большинство УВЭКЛ скорее всего являются протонами, что означает, что они должны были двигаться по прямой линии от своего источника. Однако обратное прослеживание их траектории указывает на пустые области космоса, где нет известных источников высокой энергии.

Для того, чтобы увеличить шансы обнаружения УВЭКЛ и раскрыть их тайну, Телескопический массив находится в процессе расширения. К 500 существующим детекторам добавятся еще 500 новых, которые расширят площадь наблюдения до 2900 км², что почти в размере штата Род-Айленд. Благодаря этому увеличится количество зарегистрированных событий и улучшится точность определения их характеристик. Возможно, это поможет найти ответы на вопросы, которые волнуют астрофизиков и всех любителей космоса.

Что они могут нам рассказать?

УВЭКЛ — это не только загадка, но и уникальный источник информации о Вселенной. Изучая эти частицы, мы можем узнать о том, что происходит в самых экстремальных и далеких областях космоса, где обычные методы наблюдения не работают. Мы можем также проверить наши теории о физике частиц и космологии, которые могут быть неполными или неверными. Мы можем даже открыть новые явления и законы, которые не поддаются обычному объяснению. Например, некоторые ученые предполагают, что УВЭКЛ могут быть связаны с дефектами в структуре пространства-времени, столкновениями космических струн или другими экзотическими сценариями.

УВЭКЛ — это одно из самых удивительных и захватывающих открытий в астрофизике, которое демонстрирует, насколько много мы еще не знаем о нашем мире. Они вызывают нас к поиску новых знаний и открывают перед нами двери в неизведанные реальности. Они также напоминают нам о том, что космос полон чудес и красоты, которые мы можем лишь восхищаться и благодарить светлые научные умы за возможность их наблюдать.