В этом году в Аргентине завершается строительство крупнейшей в мире обсерватории имени Пьера Оже (Pierre Auger) для наблюдения космических лучей сверхвысоких энергий. Эта обсерватория будет способна регистрировать космические частицы сверхвысоких энергий, происхождение которых до сих пор не получило объяснения.
Не исключено, что для объяснения происхождения этих космических придется вносить поправки в современные представления о физике элементарных частиц. О космических лучах сверхвысоких энергий и новой обсерватории, которая уже начала их наблюдение, рассказывает научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга Сергей Попов.
— Что такое космические лучи, и что такое сверхвысокие энергии?
— Космические лучи – это в основном протоны — ядра атома водорода. Так же в состав космических лучей входят электроны, позитроны и ядра более тяжелых элементов, вплоть до железа. Иногда к космическим лучам относят и гамма-кванты. В физике комических лучей принято выражать энергию в такой величине, которая называется электрон-вольт. Это примерно энергия фотона видимого света, то есть энергия небольшая и для нас совершенно безопасная. Но уже тысяча электрон-вольт, что по меркам физики элементарных частиц ничтожно маленькая энергия, — это рентгеновский диапазон, то есть диапазон, который уже опасен для человека. Частицы, обладающие такой энергией, задерживаются земной атмосферой, благодаря чему мы и можем жить на Земле.
Частицы высоких энергий — это миллиарды электрон-вольт. Но нас будут интересовать частицы сверхвысоких энергий, энергия которых достигает 10 в двадцатой степени электрон-вольт, а это уже энергия вполне макроскопическая. Если мы переведем эту энергию в привычные единицы, это будет несколько джоулей. Например, если уронить ручку на пол на получит энергию порядка порядка джоуля.
Но что очень существенно, вся эта энергия сконцентрирована в одной частице. Если мы сравним энергию этих частиц с энергией, которую получают на самых крупных ускорителях, то энергия космических лучей выше в миллионы раз. Эти частицы очень трудно зарегистрировать, потому что чем выше энергия частицы, тем реже они встречаются. Частицы самых высоких энергий на площадку размером один квадратный километр падают раз в несколько десятков лет.
— Как удалось обнаружить частицы сверхвысоких энергий?
— Когда такая частица влетает в атмосферу Земли, она на высотах в несколько десятков километров начинает взаимодействовать с атомами атмосферы. Естественно, происходит мощный «фейерверк» и начинается каскад рождения новых частиц. В результате к поверхности земли устремляется поток частиц, которые уже можно регистрировать: они упадут на площадку достаточно большого размера — десятки или сотни квадратных метров. Кроме того, такое событие вызывает свечение в атмосфере — флуоресценцию — и с помощью зеркальных телескопов его можно зарегистрировать и восстановить энергию первоначальной частицы, а также направление, откуда она к нам прилетела.
Первая частица сверхвысокой энергии была открыта в 60-е годы. Но пока, наверное, число ученых, занимающихся космическими лучами сверхвысоких энергий все-таки превосходит число частиц, которые за это время были реально зарегистрированы. На сегодняшний день установки, которые дали наиболее существенные результаты в этой области, - это японская установка «Агасо», которая закончила свою работу, и американская установка «Хайрес», которая тоже — совсем недавно закончила свою работу.
— Как сегодня регистрируются частицы сверхвысоких энергий?
— В Аргентине заканчивается строительство гигантской обсерватории имени Пьера Оже — это как раз человек, открывший широкие атмосферные ливни. Окончательный монтаж будет закончен через несколько месяцев. Но уже сейчас установка работает и уже сейчас результаты, полученные с помощью этой обсерватории, приближаются по своему качеству к результатам «Хайрес» и «Агасо». Эта установка занимает площадь около трех тысяч квадратных километров, чтобы в течение года регистрировать несколько частиц сверхвысоких энергий. По этой площади в южноамериканской прерии разбросано более тысячи наземных детекторов и установлено 24 зеркальных телескопа, которые просматривают небо над этой сетью.
— А откуда берутся частицы сверхвысоких энергий?
— Здесь как раз очень много неясного. Самая главная загадка, откуда берутся космические лучи сверхвысоких энергий, пока остается без ответа.
Обычные, менее мощные космические лучи возникают в остатках сверхновых звезд. После взрыва массивной звезды возникает остаток — кружево, образованное веществом, разбросанным мощным взрывом, и в этом остатке частицы могут ускоряться. Пользуясь некоторой аналогией, можно представить себе шарик для настольного тенниса, который вы один раз ударили об стол, потом начинаете постепенно прижимать ракеткой. Шарик начинает метаться быстрее и быстрее, тем самым вы двигаете ракетку, а шарик забирает ее энергию. Нечто похожее происходит с заряженными частицами в остатках сверхновых благодаря тому, что там есть ударные волны и магнитные поля. Все вместе это позволяет разгонять частицы до энергий, сравнимых с теми, которые сегодня можно получать на земных ускорителях.
А вот в том, что касается частиц сверхвысоких энергий, пока гипотез много, а точного знания мало. Мы даже не знаем, на каких расстояниях рождаются эти частицы. Одно мы можем сказать точно – они рождаются не в диске нашей галактики. Поскольку, отмечая направление прихода частиц, мы не видим асимметрии, которая бы отражала структуру нашей галактики. Частицы приходят или из далекого космоса или из какого-то сферического гало, окружающего нашу галактику.
Сейчас наибольший интерес вызывают активные ядра галактик. Активное ядро галактики, согласно современным представлениям, содержит в себе сверхмассивную черную дыру, на которую выпадает вещество, то есть, как говорят, идет акреция, вещество может образовать диск вокруг черной дыры. И если вещества достаточно много, то часть его будет выбрасываться перпендикулярно этому диску. Тогда образуются две струи, и эта активность создает благоприятные условия для ускорения частиц до сверхвысоких энергий. Пока, к сожалению, мы не можем с уверенностью сказать, что эта теория верна, потому что нет уверенности в том, что эти частицы прилетают именно из направлений, в которых мы видим мощные активные ядра галактик.
— Мы регистрируем сейчас частицы с энергией до 10 в двадцатой степени электрон-вольт или несколько джоулей. Но есть ли ограничение на энергию частиц?
— На самом деле это не очень простой вопрос, все действительно зависит от механизма рождения. Если мы говорим о разгоне частиц в активных ядрах галактик, то энергия в несколько десятков джоулей – это, видимо, предел. Однако есть другие гипотезы, связанные, как говорят, с новой физикой, которые позволяют рождать частицы и более высоких энергий. Для этого нужно, чтобы частицы уже рождались высокоэнергичными. Это возможно, если происходит аннигиляция или распад очень массивной частицы, тогда ее масса может переходить в энергию частицы, и предельная энергия будет определяться свойствами неизвестных частиц.
В современных теориях элементарных частиц, должны быть частицы, которые составляют темную материю. В некоторых теориях именно эти частицы могут одновременно быть ответственны за рождение частиц космических лучей. По всей видимости, как раз обсерватория Оже даст ответ на этот вопрос. Частица сверхвысокой энергии, преодолевая миллионы световых лет в космическом пространстве, может взаимодействовать с фотонами реликтового излучения. Реликтовое излучение – это микроволновый фон, который остался от Большого взрыва, то есть радиосвечение всего неба.
Фотоны имеют маленькие энергии, зато их много. Соответственно, частица, например, протон может взаимодействовать с ними и терять в этих взаимодействиях энергию. И тогда, будут рождаться какие-то другие частицы.
— Обычный свет идет от лампочки не мешает протонам пролетать мимо нее?
— На самом деле мешает. Все зависит от энергии протона и от количества фотонов, которые идут от лампочки. Эффект становится заметным, только если энергия протона очень велика, как раз если энергия порядка 10 в двадцатой степени электрон-вольт, то взаимодействие становится существенным и оказывается, что частица не может пролететь больше, чем примерно сто миллионов световых лет — она затормозится. Поскольку протон есть протон, что его делает интересным – это его большая энергия или, если угодно, большая скорость.
