Столетняя загадка космических лучей обрела недостающее правило

Более ста лет назад ученые впервые обнаружили космические лучи — частицы столь высокой энергии, что ни один созданный человеком ускоритель на Земле не способен их воспроизвести. Они приходят из дальних уголков Вселенной. Их источники до сих пор точно не установлены: предполагается, что это взрывы сверхновых, джеты черных дыр или пульсары — самые экстремальные кузницы мироздания.

Но как именно эти частицы разгоняются до чудовищных скоростей и что происходит с ними на пути к Земле? Сто лет ответа не было.

Теперь международный проект DAMPE — космический телескоп «Темная материя», запущенный в декабре 2015 года, — предоставил новую улику. Исследователи обнаружили удивительно устойчивую закономерность в поведении первичных ядер космических лучей: от протонов до железа.

Правило пятнадцати триллионов

Космические лучи принято делить по энергии. Низкие — до нескольких миллиардов электрон-вольт. Промежуточные — от нескольких миллиардов до сотен миллиардов. Высокие — от триллиона электрон-вольт и выше.

Но ключевое событие происходит на отметке около 15 триллионов электрон-вольт. При этом значении резкости — жесткости, как говорят физики, то есть способности частицы не отклоняться в магнитных полях, — количество частиц начинает падать гораздо круче, чем при обычном плавном снижении. Этот эффект называется «спектральным размягчением».

И главное — одинаковая картина наблюдается у всех типов ядер: протонов, гелия, углерода, кислорода, железа.

Конец одной теории

До сих пор среди ученых были две конкурирующие идеи. Одна утверждала, что поведение космических лучей определяется жесткостью — тем, насколько сильно частица отклоняется магнитными полями. Другая делала ставку на энергию в расчете на нуклон — то есть энергию, деленную на количество протонов и нейтронов в ядре.

Новые данные с вероятностью 99,999 процента опровергают вторую модель. Природа выбрала жесткость.

Это означает, что ускорение и движение космических лучей подчиняются единому правилу, не зависящему от того, из какого именно ядра состоит частица. Протон массой в одну единицу и ядро железа массой в 56 единиц ведут себя одинаково — если у них одинаковая жесткость.

Как добыли эту тайну

За точность измерений отвечал прибор под названием «Кремний-вольфрамовый трекер», установленный на борту DAMPE. Он отслеживает траектории частиц и измеряет их заряд. Группа физиков из Женевского университета не только участвовала в разработке этого инструмента, но и применила методы искусственного интеллекта для реконструкции событий — по сути, научила машину видеть то, что человеческий глаз различить не в силах.

В итоге — данные о потоках протонов, гелия и углерода такой точности, какой не было прежде.

Что это меняет

Само по себе открытие не говорит, откуда именно приходят космические лучи. Но оно резко сужает круг возможных объяснений. Любая теория об ускорении частиц в астрофизических источниках отныне должна соответствовать этому правилу жесткости. Любая модель того, как космические лучи движутся сквозь межзвездное пространство, обязана воспроизводить этот спад на отметке в 15 триллионов электрон-вольт.

Через сто лет после первого обнаружения загадочных частиц, бомбардирующих Землю из космоса, ученые наконец нашли не просто еще одно наблюдение, а скрытое правило — своего рода отпечаток, по которому теперь можно сверять все дальнейшие теории.

Остается вопрос: почему природа выбрала именно эту цифру — 15 триллионов электрон-вольт? И что именно происходит с частицами на этом рубеже, заставляя их поток резко иссякать? Ответа пока нет. Но границы незнания сузились.