В 1991 году в эксперименте Университета Юты Fly’s Eye был обнаружен космический луч с самой высокой энергией, когда-либо наблюдавшийся, пишет attheu.utah.edu. Энергия космического луча, позже названного частицей «О боже мой», шокировала астрофизиков. Ничто в нашей галактике не обладало достаточной мощностью, чтобы произвести его, и он обладал большей энергией, чем теоретически возможно для космических лучей, приходящих на Землю из других галактик. Проще говоря, такое не должно было существовать.

С тех пор земные телескопы наблюдали более 30 космических лучей сверхвысокой энергии, хотя ни одно из них не приближалось к энергии уровня «О Боже мой». Никакие наблюдения пока не выявили их происхождения или того, как они могут достигать Земли.

Однако 27 мая 2021 года в ходе эксперимента Telescope Array был обнаружен второй по величине космический луч экстремальной энергии. При 2,4×1020 эВ энергия этой единственной субатомной частицы эквивалентна падению кирпича на палец ноги с высоты пояса. Система телескопов, возглавляемая Университетом Юты (U) и Токийским университетом, состоит из 507 наземных детекторных станций, расположенных в виде квадратной сетки, которая охватывает 700 кв км за пределами Дельты, штат Юта, в Западной пустыне штата. Это событие активировало 23 детектора в северо-западной части массива телескопов, разбросанных по площади 48 кв км. Направление его прибытия, по-видимому, было из Локальной Пустоты, пустой области пространства, граничащей с галактикой Млечный Путь.

«Частицы обладают настолько высокой энергией, что на них не должны влиять галактические и внегалактические магнитные поля. И мы не в состоянии указать, откуда они берутся в небе», — сказал Джон Мэтьюз, представитель Telescope Array в Калифорнийском университете и соавтор исследования. «Так, в случае частицы „О боже мой“ и этой новой частицы вы прослеживаете ее траекторию до источника, и нет ничего, что могло бы произвести ее с достаточной высокой энергией. Вот в чем загадка — что, черт возьми, происходит?»

В своем наблюдении, опубликованном 23 ноября 2023 года в журнале Science, международная коллаборация исследователей Telescope Array описывает космический луч сверхвысокой энергии, оценивает его характеристики и приходит к выводу, что редкие явления могут следовать физике элементарных частиц, неизвестной науке. Исследователи назвали ее частицей Аматэрасу в честь богини солнца в японской мифологии. Частицы «О Боже» и «Аматэрасу» были обнаружены с использованием различных методов наблюдения, подтверждающих, что, несмотря на редкость, эти события сверхвысокой энергии реальны.

«Кажется, что эти события происходят из совершенно разных мест на небе. Не похоже, что существует один таинственный источник», — сказал Джон Белз, профессор Калифорнийского университета и соавтор исследования. «Это могут быть дефекты в структуре пространства-времени, сталкивающиеся космические струны. Я имею в виду, я просто отмахиваюсь от безумных идей, которые приходят людям в голову, потому что нет общепринятого объяснения».

Космические лучи — это отголоски бурных небесных событий, которые раздели материю до ее субатомных структур и швырнули ее через Вселенную почти со скоростью света. По сути, космические лучи — это заряженные частицы с широким диапазоном энергий, состоящие из положительных протонов, отрицательных электронов или целых атомных ядер, которые путешествуют в космосе и почти постоянно падают дождем на Землю.

Космические лучи попадают в верхние слои атмосферы Земли и взрывают ядра кислорода и газообразного азота, образуя множество вторичных частиц. Они проходят небольшое расстояние в атмосфере и повторяют процесс, образуя ливень из миллиардов вторичных частиц, которые рассеиваются на поверхности. Воздействие этого вторичного ливня огромно и требует, чтобы детекторы покрывали площадь, равную площади массива телескопов. Поверхностные детекторы используют набор приборов, который дает исследователям информацию о каждом космическом луче; время прохождения сигнала показывает его траекторию, а количество заряженных частиц, попадающих на каждый детектор, показывает энергию первичной частицы.

Поскольку частицы обладают зарядом, траектория их полета напоминает траекторию шарика в автомате для игры в пинбол, когда они совершают зигзаги против электромагнитных полей на фоне космического микроволнового излучения. Практически невозможно проследить траекторию большинства космических лучей, которые лежат в нижней-средней части энергетического спектра. Даже высокоэнергетические космические лучи искажаются микроволновым фоном. Частицы с энергией «О Боже» и «Аматэрасу» проносятся через межгалактическое пространство относительно свободно. Только самые мощные небесные явления могут их породить.

«Объекты, которые люди считают энергичными, такие как сверхновая, и близко не являются достаточно энергичными для этого. Вам нужно огромное количество энергии, действительно мощные магнитные поля, чтобы удерживать частицу, пока она ускоряется», — сказал Мэтьюз.

Космические лучи сверхвысокой энергии должны превышать 5×1019 эВ. Это означает, что одна субатомная частица обладает такой же кинетической энергией, как быстрый мяч питчера высшей лиги, и в десятки миллионов раз большей энергией, чем может достичь любой созданный человеком ускоритель частиц. Астрофизики рассчитали этот теоретический предел, известный как предел Грейзена-Зацепина-Кузьмина (GZK), как максимальную энергию, которую протон может удерживать, перемещаясь на большие расстояния, прежде чем эффект взаимодействия микроволнового фонового излучения заберет их энергию. Известные кандидаты в источники, такие как активные ядра галактик или черные дыры с аккреционными дисками, испускающими струи частиц, как правило, находятся на расстоянии более 160 миллионов световых лет от Земли. Новая частица с энергией 2,4×1020 эВ и частица Oh-My-God с энергией 3,2×1020 эВ легко превосходят пороговое значение.

Исследователи также анализируют состав космических лучей в поисках подсказок о их происхождении. Более тяжелые частицы, такие как ядра железа, тяжелее, имеют больший заряд и более восприимчивы к изгибу в магнитном поле, чем более легкие частицы, состоящие из протонов атома водорода. Новая частица, вероятно, является протоном. Физика элементарных частиц диктует, что космический луч с энергией, превышающей порог GZK, слишком мощный, чтобы микроволновый фон исказил его траекторию, но обратное прослеживание его траектории указывает на пустое пространство.

«Возможно, магнитные поля сильнее, чем мы думали, но это не согласуется с другими наблюдениями, которые показывают, что они недостаточно сильны, чтобы вызвать значительное искривление при энергиях от десяти до двадцатых электрон-вольт», — сказал Белз. «Это настоящая загадка».

Массив телескопов уникально расположен для обнаружения космических лучей сверхвысоких энергий. Он расположен на высоте около 1200 м, что обеспечивает максимальное развитие вторичных частиц, но до того, как они начнут распадаться. Его расположение в Западной пустыне штата Юта обеспечивает идеальные атмосферные условия двумя способами: сухой воздух имеет решающее значение, потому что влажность поглощает ультрафиолетовый свет, необходимый для обнаружения; и темное небо региона имеет важное значение, поскольку световое загрязнение создает слишком много шума и затемняет космические лучи.

Астрофизики все еще озадачены загадочными явлениями и продолжат исследования.