Физики объяснили природу частицы Аматэрасу — одного из самых мощных объектов во Вселенной

Исследователи Пенсильванского университета предложили механизм, объясняющий природу частицы Аматэрасу — одного из самых энергетически мощных объектов, когда-либо зарегистрированных физиками. По версии авторов, её возникновение связано с ускорением ядер тяжелее железа в источниках сверхвысокоэнергетических космических лучей. Работа опубликована в авторитетном журнале «Physical Review Letters». Частица Аматэрасу была зафиксирована массивом детекторов Telescope Array в 2021 году над юго-западом Соединённых Штатов с энергией около 244 эксаэлектронвольт. Для сравнения: это сопоставимо с кинетической энергией теннисного мяча, летящего на скорости 150 километров в час, но сосредоточенной в единственной субатомной частице.

Название «Аматэрасу» происходит из японской мифологии — так зовут богиню солнца, прародительницу императорского рода. Частица получила это имя за свою беспрецедентную энергию. Для физиков она стала загадкой: направление прихода Аматэрасу не указывало ни на один из известных астрофизических источников. Не было видно ни активного галактического ядра, ни вспышки сверхновой, ни гамма-всплеска, которые могли бы породить такой мощный поток. Частица пришла из пустоты.

Это ставило учёных в тупик. Если самый мощный космический луч за последние десятилетия приходит из области, где нет никаких видимых источников, то либо наши модели неверны, либо мы что-то упускаем в понимании того, как такие частицы ускоряются и распространяются.

Как рождается частица-монстр

Физик Кохта Мурасэ и его коллеги построили модель, которая объясняет загадку. Они предположили, что источником Аматэрасу являются не обычные, а ультратяжёлые ядра — элементы тяжелее железа, такие как свинец или даже уран. Эти ядра ускоряются в мощных астрофизических объектах: активных галактических ядрах (сверхмассивных чёрных дырах, поглощающих вещество и выбрасывающих гигантские струи плазмы) или в скоплениях галактик (огромных гравитационно связанных системах, содержащих тысячи галактик).

Когда такие тяжёлые ядра движутся с огромными скоростями, они сталкиваются с фотонами окружающего излучения — частицами света, заполняющими космос. В результате этих столкновений происходят фотоядерные реакции: ядра частично распадаются, высвобождая отдельные протоны и нейтроны с колоссальной кинетической энергией. Именно эти вырванные нуклоны и регистрируются на Земле как сверхвысокоэнергетические космические лучи — в том числе и частица Аматэрасу.

Почему источник не виден

Модель, предложенная Мурасэ и его коллегами, объясняет не только происхождение частицы, но и загадку её происхождения. Когда тяжёлое ядро распадается в фотоядерной реакции, образовавшиеся нуклоны не летят строго по прямой линии от исходного источника. Они рассеиваются под действием межгалактических магнитных полей — слабых, но огромных по масштабам магнитных полей, пронизывающих пространство между галактиками.

В результате к тому времени, когда частица достигает Земли, её направление уже не указывает на родительский объект. Угловое рассеяние может достигать десятков градусов. Поэтому детекторы видят поток, приходящий из пустоты, хотя на самом деле он порождён далёким и мощным источником, который просто «смазан» магнитными полями.

Как проверить эту теорию

Авторы работы подчёркивают, что предложенный механизм можно проверить в ходе дальнейших наблюдений. Если их модель верна, то скопления галактик и активные ядра галактик должны быть не только источниками сверхвысокоэнергетических космических лучей, но и мощными источниками гамма-излучения и нейтрино. Гамма-лучи и нейтрино рождаются в тех же процессах, что и космические лучи, но они не отклоняются магнитными полями и приходят к нам строго от источника.

Следующее поколение гамма-обсерваторий и нейтринных телескопов, таких как строящийся телескоп имени Веры Рубин и глубоководный нейтринный детектор, сможет зарегистрировать это излучение и подтвердить или опровергнуть гипотезу. Если в направлениях на скопления галактик будут обнаружены гамма-лучи и нейтрино, соответствующие по энергии частице Аматэрасу, то загадка будет решена окончательно.

Что это значит для физики

Частица Аматэрасу была зафиксирована в 2021 году, но её объяснение появилось только сейчас. Это показывает, как трудно продвигается наука о космических лучах. В отличие от фотонов (света, радиоволн, гамма-лучей), которые летят по прямой, заряженные частицы отклоняются магнитными полями. Восстановить их путь — всё равно что найти иголку в стоге сена, да ещё и в тёмной комнате. Модель Мурасэ предлагает способ сделать это — через наблюдение сопутствующего гамма- и нейтринного излучения.

Если модель подтвердится, физики получат не только объяснение одной аномальной частицы, но и новый инструмент для изучения самых мощных источников во Вселенной. Активные ядра галактик и скопления галактик — это настоящие космические ускорители, разгоняющие частицы до энергий, недостижимых на Земле даже в Большом адронном коллайдере. Понимание того, как они работают, может пролить свет на фундаментальные законы физики, включая природу тёмной материи и происхождение космических лучей, которые бомбардируют Землю уже миллиарды лет.

Частица Аматэрасу была одной из самых загадочных, но теперь и она, похоже, нашла своё объяснение. Не как аномалия, а как свидетельство процессов, происходящих в самых ярких и мощных объектах нашей Вселенной. Вопрос только в том, сколько ещё таких «призрачных» частиц уже зарегистрировано детекторами, но ждёт своего объяснения. И сколько новых загадок преподнесёт нам космос в ближайшие годы, когда новые телескопы начнут работать на полную мощность.