В октябре 1991 года и мае 2021 года учёные зафиксировали космические лучи беспрецедентной энергии, происхождение которых бросает вызов современной астрофизике. Исследователи Джон Мэттьюс и Тосихиро Фудзи обсуждают природу частицы Аматэрасу, её связь с «пустотой» локального войда и технологии, позволяющие ловить эти редчайшие сигналы из глубин космоса.
🌌 Частица Аматэрасу: энергия за пределами возможного 1:13
Наука часто сталкивается с неожиданностями, но обнаружение частиц сверхвысоких энергий (UHECR) стало настоящим потрясением. История началась 15 октября 1991 года, когда детектор «Глаз мухи» (Fly's Eye) в Юте зафиксировал космический луч с энергией, в три раза превышающей любые теоретические пределы . Эту частицу назвали «Oh-My-God» (О мой бог). Её энергия была сопоставима с энергией бейсбольного мяча, летящего со скоростью 90 миль в час, но упакованной в один-единственный протон .
27 мая 2021 года Тосихиро Фудзи обнаружил вторую по мощности частицу за всю историю наблюдений — Аматэрасу .
Основные характеристики Аматэрасу:
- Энергия: 2,4 x 10²⁰ электронвольт (эВ) .
- Скорость: 99,99...% (всего 23 девятки после запятой) от скорости света .
- Происхождение: Направление локального войда (местной пустоты), где нет известных мощных астрофизических объектов .
По словам Тосихиро Фудзи, сначала он принял эти данные за ошибку в расчётах, но детальная проверка подтвердила реальность события . Джон Мэттьюс отмечает, что такие частицы нарушают предел Грайзена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК). Согласно теории, частицы с энергией выше 10¹⁹⁶ эВ должны терять энергию, взаимодействуя с реликтовым излучением Большого взрыва при путешествии через межгалактическое пространство . Это означает, что источник Аматэрасу должен находиться относительно близко к Земле, но в том направлении, откуда она пришла, ничего нет .
📡 Как «поймать» частицу: методы детектирования 6:23
Космические лучи невозможно увидеть напрямую, поэтому учёные используют атмосферу Земли как гигантский детектор. Джон Мэттьюс описывает два основных способа фиксации этих событий :
- Наземные сцинтилляционные детекторы. Когда первичная частица врезается в атмосферу, она разбивает ядра кислорода или азота, создавая каскад из миллиардов вторичных частиц (широкий атмосферный ливень). Проект Telescope Array использует более 500 пластиковых детекторов, разбросанных на площади 700 кв. км в Юте .
- Флуоресцентные телескопы. Проходя через воздух, заряженные частицы возбуждают молекулы азота, которые при переходе в основное состояние излучают ультрафиолетовый свет. Телескопы фиксируют этот «трек» .
Трудность заключается в том, что флуоресцентные телескопы крайне чувствительны — они ищут свет, эквивалентный лампочке в 100 ватт, движущейся со скоростью света . Из-за этого они могут работать только в безлунные ясные ночи, что составляет около 10% общего времени . Наземные детекторы, напротив, работают круглосуточно .
🔭 Загадка локального войда и гипотезы происхождения 15:48
Главная проблема Аматэрасу заключается в её траектории. В отличие от низкоэнергетических лучей, которые искривляются магнитными полями, частицы такой мощности должны лететь практически по прямой .
Тосихиро Фудзи подчеркивает парадокс: траектория частицы указывает на Локальный войд — область космоса, практически лишенную галактик и звездных скоплений .
Учёные рассматривают несколько гипотез происхождения таких сверхмощных частиц:
- Активные ядра галактик (AGN). Сверхмассивные черные дыры, выбрасывающие струи плазмы (джеты) .
- Распад темной материи. По мнению Джона Мэттьюса, это может быть некая сверхмассивная частица, которая спонтанно распадается, высвобождая колоссальную энергию .
- Космические струны. Гипотетические топологические дефекты пространства-времени .
- Искусственное происхождение. Ведущий поинтересовался возможностью существования инопланетного ускорителя частиц, на что Джон Мэттьюс ответил скептически, признав вероятность внеземной жизни, но не «гигантских ускорителей» .
Сверхновые, которые считаются основными ускорителями в нашей галактике, не способны разогнать частицы до таких энергий — их предел в миллионы раз ниже (около 10¹⁵ эВ) .
🌎 Глобальное сотрудничество: Север против Юга 20:38
В мире существуют две крупнейшие обсерватории космических лучей: Telescope Array (Юта, США) в Северном полушарии и Обсерватория Пьера Оже (Аргентина) в Южном полушарии .
Обсерватория Пьера Оже в Аргентине имеет площадь 3000 кв. км и использует водные черенковские детекторы . Когда частица проходит через воду быстрее скорости света в этой среде, она создает электромагнитную ударную волну — черенковское излучение, которое проявляется как характерное голубое свечение .
Учёные отмечают странную аномалию:
- В Северном полушарии фиксируется значительно больше частиц экстремально высоких энергий (выше 10²⁰ эВ) .
- За 14 лет Telescope Array зафиксировал около 30 таких событий .
- В Южном полушарии, несмотря на площадь детектора в 4 раза больше и доступ к центру Галактики, зафиксировано всего 45–48 событий .
Джон Мэттьюс утверждает, что причины такого различия между полушариями пока остаются неясными и требуют дальнейшего изучения .
🚀 Будущее: детекторы на орбите и расширение массивов 30:35
Для решения загадки Аматэрасу учёным нужно больше данных. В настоящее время Telescope Array расширяется в 4 раза — до площади почти 3000 кв. км . Это позволит фиксировать частицу уровня Аматэрасу примерно раз в четыре года .
Тосихиро Фудзи надеется на создание наземной обсерватории следующего поколения площадью 30 000 кв. км .
Параллельно ведется работа над космическими проектами:
- EUSO и POEMA. Проекты по размещению флуоресцентных камер на спутниках или МКС .
- Сложности. Чтобы увидеть атмосферный ливень с орбиты (расстояние 400 км), требуются камеры с миллионами пикселей и огромным полем зрения . Джон Мэттьюс сравнивает это с попыткой сфотографировать птицу с расстояния 400 километров .
На данный момент на МКС уже работает тестовая камера с высоким разрешением, которая собирает данные короткими сессиями . Также предпринимались попытки запуска телескопов на стратосферных баллонах из Новой Зеландии, но оба запуска закончились падением оборудования в океан .
В завершение Джон Мэттьюс отметил, что если увеличение объема данных не выявит конкретный источник частиц, наука окажется перед лицом новой фундаментальной тайны Вселенной .
