Нейтронные звезды обстреливают Землю сверхэнергетическими субатомными пулями
Земля постоянно обстреливается субатомными пулями. Каждые несколько секунд одно бесконечно малое атомное ядро врезается в атмосферу со скоростью, близкой к световой, неся в себе столько же энергии, сколько летящий мяч для гольфа.
Десятилетиями физики пытались объяснить, как и где частицы приобретают такую колоссальную энергию. Американская физик Гленнис Фаррар выдвинула новую гипотезу, которой поделилась в статье, подготовленной к печати в Physical Review Letters: мощнейшие лучи порождают слияния нейтронных звезд.
«Я полностью согласен, что слияние нейтронных звезд — многообещающий кандидат», — подтверждает космомикрофизик Тосихиро Фудзи из Осакского стоолличного университета, который работает на огромном детекторе космических лучей Telescope Array в Юте. «Не вижу никаких аргументов, которые опровергали бы [это] предположение», — согласен его коллега Маркус Рот из Технологического института Карлсруэ, который работает в обсерватории Пьера Оже, еще более крупном детекторе в Аргентине.
Непосредственное обнаружение космических лучей невозможно. Вместо этого регистрируются их косвенные признаки — атмосферные ливни позитронов и пионов — при помощи монструозных высокотехнологичных сооружений. Обсерватория Пьера Оже, например, состоит из 1600 детекторов частиц, расположенных на площади в 3000 квадратных километров. Подсчитывая заряженные частицы и точно определяя время их попадания в детекторы, исследователи определяют направление и энергию исходных космических лучей.
Энергия эта ошеломляюще велика. Оже, Telescope Array и другие массивы уловили больше миллиона космических лучей с энергией выше 1 эксаэлектронвольта (ЭэВ), что в 100 000 раз выше, чем у протонов в Большом адронном коллайдере.
Космические ускорители, создающие такие лучи, должны быть внушительных размеров и обладать мощным магнитным полем. На роль таких объектов в разное время предлагались активные галактические ядра, разрушение звезд приливным воздействием черных дыр, длинные гамма-всплески — но ни одно из этих явлений не может объяснить ни спектр лучей, ни их запредельно высокую энергию (в 2023 году Telescope Array зафиксировал рекорд в 240 ЭэВ).
Двадцать лет назад физики считали, что, как и космические лучи послабее, самые высокоэнергетические лучи состоят из протонов. Однако данные об атмосферных ливнях, зарегистрированных обсерваторией Оже, свидетельствуют, что до нашей планеты долетают куда более тяжелые ядра — вплоть до железа. И что самое важное, их энергия в пересчете на один протон — величина, называемая жесткостью — остается примерно постоянной.
Разнообразные источники не могли бы обеспечить такое поразительное постоянство. А более-менее одинаковые нейтронные звезды с их довольно узким диапазоном масс — вполне. Кроме того, пары нейтронных звезд распространены, а значит, и их слияния происходят достаточно часто, чтобы поливать Землю регулярным потоком частиц.
Проверить гипотезу можно разными способами. Во-первых, слияние нейтронных звезд должно порождать нейтрино с энергией около 20 петаэлектронвольт — и такие уже были уловлены IceCube, огромным детектором во льду под Южным полюсом, и ему подобными приборами.
Во-вторых, гравитационные волны, которые приходят оттуда же, откуда эти нейтрино. Но этого подтверждения придется подождать, пока не появится новое поколение детекторов гравитационных волн.
Возможно, сценарий Фаррар удастся проверить на обсерватории Оже — там установили дополнительные детекторы, разработанные для более точной идентификации частиц, называемых мюонами — мимолетных, более тяжелых версий электронов. Мюоны в ливне несут подсказки о массе падающего космического луча, и если в нем обнаружатся ядра тяжелее железа — знаменитая ученая права.
После столкновения нейтронных звезд зафиксировано необычное свечение
Астрофизики сумели уловить самые мощные космические лучи за всю историю