Закономерность в космических лучах: сто лет загадок и одно правило

Они приходят из самых экстремальных кузниц Вселенной. Взрывы сверхновых. Джеты черных дыр. Пульсары. Космические лучи — частицы чудовищной энергии, которую не может воспроизвести ни один созданный человеком ускоритель. Их открыли более ста лет назад. И до сих пор не понимают до конца, откуда они берутся и как путешествуют.

Основная масса этих частиц — протоны. Но в их потоке летят и ядра гелия, углерода, кислорода, железа. Энергия варьируется от нескольких миллиардов электрон-вольт до триллионов. И вот теперь, спустя десятилетия измерений, международный проект DAMPE — космический телескоп «Темная материя» — обнаружил правило, которому подчиняются все они.

Правило пятнадцати триллионов

До определенного энергетического уровня количество частиц снижается плавно. Но после некоторого порога оно падает резко — эффект, который физики называют «спектральным размягчением». Этот порог наступает при жесткости около пятнадцати триллионов электрон-вольт. Жесткость — это способность частицы сопротивляться отклонению магнитным полем. Чем выше жесткость, тем прямее летит частица.

И главное: одинаковая картина наблюдается для всех типов ядер — от протона до железа. Протон массой в одну единицу и ядро железа массой в пятьдесят шесть единиц ведут себя одинаково, если их жесткость равна.

Что это правило отменяет

До сих пор существовали две конкурирующие идеи. Первая: поведение космических лучей определяется жесткостью. Вторая: ключевую роль играет отношение энергии на нуклон — то есть энергия, деленная на количество протонов и нейтронов в ядре. Новые данные опровергают вторую модель с вероятностью 99,999 процентов. Природа сделала выбор.

Это означает, что ускорение и движение космических лучей подчиняются единому закону, не зависящему от того, из какой именно частицы состоит луч.

Темная материя как невидимый игрок

Остается вопрос, который авторы исследования не могут пока закрыть. Астрофизические источники — пульсары, сверхновые, черные дыры — объясняют часть картины. Но возможно, в спектр космических лучей вносит вклад и темная материя. Распад или аннигиляция гипотетических частиц темной материи могли бы порождать дополнительные сигналы в тех же энергетических диапазонах.

Как отличить астрофизику от чего-то принципиально нового? Авторы надеются, что будущие наблюдения помогут разделить эти два вклада. Пока же они продолжают анализировать данные DAMPE — с особым вниманием к тяжелым ядрам.

Области, где ничего нет

И если уж речь зашла о самых глубоких загадках космоса, стоит вспомнить о другом странном открытии. Области космических пустот — войды, где нет галактик, нет звезд, нет пыли и газа. Только пустота. Но, как утверждает один из космологов, пустота не абсолютна. Она наполнена фундаментальными квантовыми полями с небольшим, но реальным количеством энергии вакуума. Там, где нет ничего другого, эта энергия становится доминирующей.

И именно она ответственна за расширение Вселенной.

Правило пятнадцати триллионов для космических лучей. Энергия из ничего для разгона галактик. Две закономерности, которые не вписывались в картину мира десятилетиями — и наконец начали проявлять свои очертания. Осталось понять, что именно мы увидели: новые свойства материи, сигналы темной энергии или просто первые штрихи портрета физики, которую мы пока не умеем читать.