Астрономы засекли самую высокоэнергетичную частицу за 30 лет наблюдений

Проект Telescope Array — гигантский детектор космических лучей в американском штате Юта. Он состоит из 507 станций, раскиданных сетью на площади примерно 700 квадратных километров. С его помощью ученые «поймали» уже больше 30 космических лучей высоких энергий.

В 2021 году, во время очередной рутинной проверки детектора, Тошихиро Фуджи, астроном из Городского университета Осаки (Япония), заметил необычные сигналы. На космический луч среагировали 23 детектора на северо-западе Telescope Array. По словам астронома, сперва он подумал, что наблюдает ошибку программного обеспечения.

Анализ данных подтвердил, что это был космический луч, частица которого достигла энергии в 240 эксаэлектронвольт (2,4 x 10²⁰ электронвольта). За всю историю наблюдений энергия была выше лишь у частицы Oh-My-God, открытой в 1991 году, — 320 эксаэлектронвольт. Тогда ученые не представляли, что может создавать такие частицы.

Сегодня астрофизики предполагают, что такие энергичные частицы рождаются в релятивистских джетах черных дыр, гамма-всплесках активных ядер галактик и других самых энергичных космических феноменах.

На месте предполагаемого источника новой частицы оказалась довольно пустынная область с небольшим количеством галактик. Авторы исследования проверили также объекты и галактики вблизи этой области, но и там не оказалось подходящих кандидатов.

Частицу космического луча назвали Аматэрасу — в честь японской богини Солнца. Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Космические лучи считаются высокоэнергетичными, когда их энергия превышает 5 x 10¹⁹ электронвольт. Они состоят из протонов (89%), ядер гелия (10%) и более тяжелых ядер.

По теоретическим подсчетам, существует предельная энергия протона, при которой он уже не сможет свободно лететь по космическому пространству. Потому что начнет взаимодействовать с реликтовым излучением и «потеряет» энергию. Это значение называют пределом Грайзена — Зацепина — Кузьмина.

Раз наблюдаемые частицы не «растеряли» свою энергию, значит, они образовались не так уж далеко. По оценкам ученых, в пределах 50-100 мегапарсек.

«Магнитные поля в галактике и межгалактическом пространстве не должны влиять на частицы с такой высокой энергией. Поэтому у вас должна быть возможность определить точное местоположение их источника на небе. Но в случае частицы Oh-My-God и этой новой частицы вы отслеживаете ее траекторию к источнику, а там нет ничего, что может создать частицу с такой энергией», — объяснил Джон Мэтьюс, профессор Университета Юты и представитель Telescope Array.

Возможно, магнитные поля все же достаточно мощные, чтобы отклонить полет космического луча, но это противоречит другим наблюдениям. Ученые также не забывают о том, что проблема может быть в стандартной модели физики. Для объяснения феномена этих частиц может понадобиться усовершенствованная теория.

Пока ученые заняты улучшением детекторов Telescope Array. После апгрейда инструмент станет в четыре раза более чувствительным, и это позволит точнее отслеживать источники частиц.