Откуда исходят космические лучи сверхвысоких энергий

Много ли знают астрофизики об окружающем нас мире? Не так много, как кажется. Непосредственные физические измерения, доступные нам сегодня, ограничиваются пределами Солнечной системы. Что происходит на более далеких расстояниях, мы можем судить лишь косвенно, в основном по видимому свету и электромагнитному излучению в других диапазонах, доходящему до нас от далеких объектов во Вселенной.

Другой важный канал информации — это поток частиц с высокими энергиями, так называемые космические лучи. К сожалению, они в основном состоят из электрически заряженных частиц, которые отклоняются в окружающих нас магнитных полях, и это усложняет интерпретацию наблюдений. По современным оценкам, лишь протоны (ядра водорода) и ядра легких элементов, таких как гелий с энергией свыше 1019 электронвольт, сравнительно слабо отклоняются магнитными полями Млечного Пути, и поэтому направления их прилета могут указывать на источник.

Можно провести параллель с органами чувств. Когда вы изучаете космические лучи низких энергий, это как обоняние: вы не понимаете, откуда они приходят, но они здесь есть. Лучи ультравысоких энергий — это как зрение: вы видите, откуда они прилетают, как они движутся прямо. И вы видите вокруг себя картинку источников. Проблема в том, что их мало и вам нужно долго собирать статистику. Картина «светимости» мира есть в разном диапазоне: в оптическом, радиодиапазоне, и те объекты, которые ярко светятся в оптическом диапазоне, не всегда ярко светятся в радиодиапазоне. А в последнее десятилетие мы начинаем рассматривать мир с помощью нейтрино и гравитационных волн.

Поскольку у астрофизиков много каналов информации, в последнее время стандартом де-факто стал так называемый многокомпонентный подход к исследованиям.

Многокомпонентный означает, что у вас есть знания из разных областей и вы их сопоставляете: например, знания о спектре и составе космических лучей ультравысоких энергий, измерения потока диффузного гамма-излучения с энергией на десять порядков меньше, есть измерения потока нейтрино. Все эти вещи связаны между собой, и использование этих взаимосвязей лежит в основе многокомпонентного подхода.

В русле этого подхода лежит и статья ведущего научного сотрудника Института ядерных исследований РАН Олега Калашева и его соавторов (Грациэлы Гельмини из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Дмитрия Семикоза из Парижского университета Дидро, Сорбонна) «Upper limit on the diffuse extragalactic radio background from GZK photon observation» («Верхний предел диффузного внегалактического радиофона по наблюдениям фотонов GZK»), направленная для публикации в журнал Universe, специальный выпуск. Она доступна в архиве e-принтов базы Inspire HEP. Авторы устанавливают логическую связь между уровнем радиофона в межгалактическом пространстве и составом космических лучей ультравысоких энергий.

Космические лучи ультравысоких энергий невозможно детектировать напрямую, поскольку их поток очень мал и они поглощаются атмосферой Земли. В космосе для их обнаружения понадобился бы огромный детектор площадью порядка 1000 квадратных километров. На Земле мы можем регистрировать космические лучи, наблюдая широкие атмосферные ливни, рожденные частицами.

Так и поступают в современных экспериментах, представляющих собой сеть детекторов частиц, раскиданных на площади в несколько тысяч квадратных километров. Широкие атмосферные ливни — это потоки частиц с энергией на много порядков меньше исходной частицы. В поперечнике такие ливни достигают ширины в несколько километров. По их геометрическим и временным характеристикам ученые оценивают свойства первичных частиц, породивших ливень. К сожалению, ливни, рожденные протонами, весьма похожи по своим свойствам на ливни, рожденные более тяжелыми ядрами элементов, поэтому состав космических лучей довольно трудно измерить, наблюдая только ливни. А вот ливни, рожденные фотонами ультравысоких энергий, если они существуют, довольно сильно отличались бы по своим свойствам от наблюдаемых. На этом основаны современные экспериментальные ограничения на максимальную долю фотонов в космических лучах ультравысоких энергий.

Как вообще могут возникнуть космические лучи ультравысоких энергий? По современным представлениям электрически заряженные частицы могут ускоряться до таких энергий, многократно сталкиваясь с релятивистскими облаками плазмы или разгоняясь в электрических полях, которые при определенных условиях могут возникать рядом с такими загадочными объектами, как черные дыры. Фотоны же ультравысоких энергий в таких механизмах не ускоряются, так как они электрически нейтральны. Но они могут возникать при столкновениях заряженных космических лучей ультравысоких энергий с веществом или излучением. Поэтому ученые не исключают и даже ожидают, что в составе космических лучей при ультравысоких энергиях есть небольшая доля фотонов.

Главный механизм их образования — столкновения легких ядер с фотонами реликтового микроволнового излучения, наполняющими всю Вселенную, так называемый эффект Грейзена—Зацепина—Кузьмина. Поэтому такие фотоны еще называют ГЗК-фотонами (по первым буквам фамилий открывателей эффекта). Чем больше доля легких ядер и протонов в космических лучах, тем больше фотонов мы ожидаем увидеть, поэтому точное измерение потока фотонов, когда оно будет сделано, поможет нам независимо оценить соотношение легких и тяжелых ядер в составе космических лучей.

На самом деле в этом уравнении не две, а три неизвестные. Фотоны ультравысоких энергий могут поглощаться, сталкиваясь с реликтовым излучением и радиофоном на своем пути к Земле. И если реликтовое излучение хорошо изучено, то радиофон в межгалактическом пространстве очень сложно измерить даже косвенно, современные оценки уровня радиофона разных научных групп отличаются на порядки.

В статье авторы показали, что если радиофон достаточно большой, то надежды зарегистрировать фотоны ультравысоких энергий в ближайшем будущем нет. Но если фотоны будут обнаружены, это сразу позволит говорить, что доля легких ядер в составе космических лучей велика, а концентрация радиофона ниже некоторого значения. Если вспомнить, что только легкие ядра и протоны ультравысоких энергий могут указывать на направления, в которых находятся источники космических лучей, то получается, что обнаружение фотонов ультравысоких энергий даст надежду на скорое обнаружение источников.

В дальнейшем ученые планируют пролить свет на механизм образования космических лучей в ядрах активных галактик. Сейчас физикам очень сложно построить непротиворечивую модель при всем обилии экспериментальных данных. В каждой модели можно построить ограничение на то, как устроены источники космических лучей. Всем этим ученые и занимаются в рамках многокомпонентного подхода.