Открыта анизотропия космических лучей сверхвысоких энергий
Источниками самых высокоэнергетичных космических лучей, пронизывающих нашу Вселенную, являются, скорее всего, сверхмассивные черные дыры (миллионы и миллиарды солнечных масс), которые скрываются в центрах большинства галактик (прежде всего это активные галактические ядра). Иными словами, речь можно теперь вести о внегалактическом (вне нашей Галактики) происхождении КЛ сверхвысоких энергий. Такой вывод сделала группа из 370 астрофизиков из 17 стран мира, занятая анализом данных Обсерватории имени Пьера Оже (Pierre Auger Observatory).
"Мы выяснили, что небо Южного полушария в диапазоне, соответствующем космическим лучам сверхвысоких энергий, выглядит неоднородно. Это фундаментальное открытие. Наступает эра астрономии космических лучей. В ближайшие несколько лет наши данные позволят идентифицировать источники этих космических лучей и прояснить механизмы их ускорения", - убежден Джеймс Кронин (James Cronin) из Чикагского университета (University of Chicago, штат Иллинойс) - нобелевский лауреат, инициатор создания Обсерватории Оже (наряду с Аланом Уотсоном (Alan Watson) из британского Лидсского университета (University of Leeds)) и один из девяти авторов, подписавших статью, публикуемую 9 ноября в журнале Science.
Французский физик Пьер Оже (1899-1993) считается первооткрывателем широких атмосферных ливней (ШАЛ), образуемых высокоэнергетичными частицами, попадающими в земную атмосферу (1938), их иногда называют также ливнями Оже. Обсерватория, получившая его имя, представляет собой сеть из 1600 огромных резервуаров (пока их только 1400), которые устанавливаются на плоскогорье западной Аргентины (провинция Мендоса), снабжаются фотоумножителями и заполняются дистиллированной водой (по 11 тонн каждый, с атомами такого простейшего жидкого сцинтиллятора частицы и взаимодействуют). Каждый такой бак (водный черенковский детектор) отделен от соседних резервуаров расстоянием в 1,5 километра (общая площадь, занимаемая установкой, достигает трех тысяч квадратных километров). Резервуары обнаруживают частицы, отслеживая их взаимодействия с водой, ну а установленные дополнительно телескопы (в количестве 24 штук) ясными безлунными ночами улавливают свечение в атмосфере (флуоресценцию, вызванную взаимодействием КЛ с молекулами азота), таким образом можно не только восстанавливать энергию первоначальных частиц, но и направление их прилета.
Всего обсерватория к настоящему времени зарегистрировала почти миллион ливней, однако события, вызванные частицами сверхвысоких энергий, - это большая редкость. Пока на счету новой установки 77 частиц с энергией, превышающей 4x1019 электрон-вольт (или 40 EeV - эксаэлектрон-вольт). И это рекорд среди обсерваторий такого рода. При столь высоких энергиях погрешность в определении направления, с которого пришла частица, не превышает нескольких градусов, что и позволяет ученым определить местоположение возможного источника. Звучит невероятно, но один-единственный протон в таком случае может нести столько энергии, сколько теннисный мячик, летящий со скоростью 100 километров в час. К сожалению (а может, и к счастью), частицы таких энергий на Земле - редкие гости, один случай на квадратный километр приходится раз в столетие. Поэтому для сбора осмысленной статистики и требуется очень большие площади...
"Низкоэнергетичные космические лучи [в окружающем нас космосе] присутствуют в изобилии и прибывают при этом со всех направлений практически одинаково, их источники находятся внутри нашей собственной галактики Млечный путь. Единственным очевидным источником космических частиц до сих пор было только наше Солнце. Космические лучи от других вероятных источников, вроде взрывающихся звезд, блуждая по космосу, запутываются в магнитных полях так, что когда они наконец достигают Земли, мы уже не можем установить их происхождение. Иное дело - частицы самых высоких энергий, космические лучи, приходящие от самых мощных источников - они мало отклоняются и указывают направление к месту своего рождения. Мы теперь можем регистрировать достаточное количество таких "космических пуль" для того, чтобы понять процессы, которые зашвырнули их в космос", - объясняет один из руководителей проекта Пол Манч (Paul Mantsch).
Космические лучи с энергией, превышающей приблизительно 60 EeV, неизбежно теряют свою энергию в столкновениях с космическим микроволновым фоном (т.е. реликтовым излучением, оставшимся со времен начала Вселенной, оно заполняет весь космос). Однако космические лучи из относительно близких источников (соседних галактик, находящихся от нас в радиусе трех сотен миллионов световых лет) теряют свою энергию с меньшей вероятностью и все-таки добираются до Земли. Выяснилось, что распределение 27 самых высокоэнергетичных событий (с энергией свыше 5,7x1019 = 57 EeV) носит ярко выраженный анизотропный характер (частицы не прибывают с одинаковой вероятностью со всех возможных направлений). Сравнивая параметры этих событий с известными местоположениями 318 активных ядер галактик, в большинстве случаев (в 20) удалось продемонстрировать хорошую корреляцию - то есть (как ранее и предполагалось многими астрофизиками) рождение таких частиц связано с центрами соседних галактик, вроде Центавра A.
Согласно популярным теоретическим моделям, активные ядра галактик (Active Galactic Nuclei - AGN), окружены скоплениями вещества, располагающегося в виде аккреционного диска и гигантского "пончика" (поглощающего тора), который частично скрывает от нас вид на черную дыру (пончик расположен в той же плоскости, что и аккреционный диск). Угол под которым мы наблюдаем этот самый "пончик", определяет (наряду с массой и рядом других факторов), что именно мы в свои приборы увидим - и как классифицируем этот объект. Так появляются квазары, блазары (в этом случае струя-"джет" из раскаленной материи направлена прямо на Землю), сейфертовские галактики... Поглощая газ, пыль и другую материю, вытягиваемую из галактики-хозяйки, ядра частично перерабатывают все это в исторгаемые ими потоки частиц самых высоких энергий. Пока еще механизм, с помощью которого AGNs достигают рекордных ускорений, детально не изучен, но предполагается, что ускоряемые таким образом частицы могут достигать энергий, в сотню миллионов раз превосходящих энергию мощнейших земных ускорителей частиц.
Участники проекта теперь выражают большое сожаление, что подобие аргентинской установки не построили в Северном полушарии (изначально такое планировалось (на территории штата Юта в США), но вмешалась политика, и строительство было отложено). Тогда бы для наблюдений было доступно все земное небо, и к тому же в Северном полушарии имеются более близкие AGNs, чем в Южном...
Источники:
Mysterious cosmic rays linked to galactic powerhouses - University of Chicago News Office
Cosmic ray mystery solved? - University of Utah Public Relations
Highest-energy Cosmic Rays Linked With Violent Black Holes - Fermi National Accelerator Laboratory
Michigan Tech helps solve mystery of cosmic rays - Michigan Technological University
Monster black holes power highest-energy cosmic rays - New Scientist
Cosmic 'Bullets' Traced to Galactic Black - Space.com
Clue to cosmic rays discovered - BBC News
Cosmic rays believed to start in black holes - Reuters
Powerful rays hitting Earth emitted from nearby galaxies - AFP
Mysterious Cosmic Rays Traced At Last To Source - Wired
Ссылки:
Крупнейшая в мире обсерватория начала регистрировать космические лучи
Посланцы из неведомых краев
Перед студентами Новосибирского государственного университета с лекцией "Космическое излучение высоких энергий" выступил нобелевский лауреат Джеймс Кронин
Космические лучи и гамма-астрономия
Справка
Космические лучи и излом в спектре первичного космического излучения
Космические лучи - это поток заряженных субатомных частиц и атомных ядер высоких энергий (в основном это протоны (90%) и альфа-частицы - ядра гелия (7%)), пронизывающий весь космос. Ударные волны, возникающие в процессах взрывов сверхновых, считаются основным источником этих частиц. В межзвездном магнитном поле с сильно запутанными силовыми линиями движение космических лучей имеет сложный характер, напоминающий диффузию молекул в газе. В результате время утечки космических лучей из Галактики оказывается в тысячи раз большим. чем при прямолинейном движении. Ученые, измеряющие энергию космических лучей, давно обратили внимание на избыток таких лучей в определенном энергетическом диапазоне (речь идет о характерном изломе или "колене" в спектре первичного (т.е. пришедшего непосредственно из космоса в отличие от вторичных КЛ, возникающих за счет столкновений с ядрами атомов земной атмосферы) космического излучения при энергии около 3x1015 эВ, обнаруженном в середине прошлого века советскими физиками). Некоторые исследователи предположили, что этот излишек мог бы давать единственный остаток сверхновой приблизительно в 1000 световых лет от нас, взрыв которой произошел около 100 тысяч лет назад (другое объяснение: частицы с более высокой энергией, число которых очень мало, слабо отклоняются галактическим магнитным полем и покидают Галактику сравнительно быстро - "Физика космоса", М., 1986).
Статьи по теме
Новый рекорд среди черных дыр
Используя сразу две космические обсерватории NASA и наземные телескопы, астрономы сумели обнаружить очередную рекордсменку среди самых массивных черных дыр, рожденных в результате звездного коллапса. Новое достижение затмевает предыдущий рекорд, о котором было объявлено всего пару недель назад.
Обнаружено новое таинственное космическое явление
Обнаружено новое таинственное космическое явление - мощный одиночный радиовсплеск, докатившийся до Земли с расстояния порядка трех миллиардов световых лет. Масштабы этого открытия уже сравнивают с обнаружением в 1970-х гг. гамма-всплесков.
Большой взрыв породил триллионы черных дыр
Согласно весьма популярной, но пока никем не подтвержденной теории, небольшие черные дыры появились уже в первые мгновения существования нашей Вселенной. Это так называемые первичные черные дыры, которые могут использоваться для зондирования самых первых долей секунды после Большого взрыва.
В нашей Вселенной отыскалась брешь
Американские астрономы нашли в окружающей нас Вселенной огромное "отверстие", свободное от звезд, галактик, межзвездного газа и таинственного невидимого "темного вещества". Это новое открытие затмевает своими масштабами все прочие "дырки".
Обнаружен новый класс активных ядер галактик
Группа американских и японских астрономов, использовавшая для своих исследований "охотника за гамма-всплесками" Swift и космическую рентгеновскую обсерваторию Suzaku, сумела обнаружить новый класс активных ядер галактик (active galactic nuclei - AGN).
Черные дыры подрывают звезды на расстоянии
Участь звезды, которую угораздило подойти слишком близко к черной дыре, может оказаться еще более незавидной, чем считалось ранее. Мало того, что неосторожную странницу в какой-то момент просто разорвет на части мощная гравитация, ее неприятности начнутся гораздо раньше...
Космос не виноват?
Между учеными давно ведутся споры о том, имеет ли смысл обвинять человечество в изменениях земного климата или же глобальное потепление можно объяснить естественными причинами, например, вариациями космического излучения. Британские космофизики, тщательно рассмотрев все возможные свидетельства и доводы в пользу такой теории, сочли ее малоубедительной.
Российские астрономы нашли новые свидетельства в пользу реальности черных дыр
Российские астрофизики сумели продемонстрировать связь гамма-всплесков с образованием быстровращающихся черных дыр, обладающих эргосферой. Таким образом не только удалось прояснить природу гамма-всплесков, но и найти новые доказательства реальности существования черных дыр.
Экзотические частицы отыщут в космических лучах
Физики-теоретики оценили вероятность регистрации на строящихся установках экзотических массивных частиц, которые предсказаны пока только теоретически: глюино (тяжелого суперсимметричного партнера глюона) и "слабо взаимодействующих массивных частиц" WIMPs, которые считаются основным кандидатом в темное вещество.
Земному щиту свыше трех миллиардов лет
3,2 миллиарда лет назад, то есть на заре геологической истории, напряженность магнитного поля Земли была уже достаточно велика и составляла по крайней мере половину от своего нынешнего значения. Новые данные, полученные американскими геофизиками, противоречат предыдущим работам такого рода.
У Солнца нашли переключатель
В наше Солнце встроен особый "переключатель", который периодически повышает и понижает общую яркость светила. И характерный период "переключений" составляет примерно 100 тысяч лет - именно такой срок отделяет друг от друга ближайшие ледниковые периоды на Земле.
Со щитом или под щитом
Участники будущих лунных экспедиций могут серьезно пострадать от рентгеновских вспышек на Солнце, которые случаются малопредсказуемым образом и грозят получением опасных радиационных доз в течение буквально считанных минут.
Супермонстр оказался суперускорителем
До последнего времени процессы производства гамма-лучей самых высоких энергий оставались тайной. Некоторые ученые предполагали, что такие фотоны могут рождаться лишь в результате распада частиц темной материи, однако большинство специалистов все-таки отказывалось в это верить.
Луч суперсвета в темном царстве
Исследование модуляций излучения от мощного космического источника высокоэнергетических гамма-квантов позволило впервые за пределами земных лабораторий наблюдать процессы преобразования света в частицы вещества и антивещества.
Европейскому SMART-1 помогли бури на Солнце и советские "Луны"
В результате нового открытия ученые еще на шаг приблизились к ответу на давний вопрос о формировании нашего естественного спутника (то есть образовалась ли наша Селена из части Земли или как совершенно самостоятельное небесное тело).
От космических взрывов Землю хранят металлы
Согласно новому исследованию, гамма-всплески могут случаться в основном лишь в небольших бесформенных галактиках, которые испытывают серьезный недостаток в химических элементах тяжелее водорода и гелия.
В пасмурной погоде повинны космические лучи
Новое свидетельство того, что события в далеком космосе могут самым непосредственным образом отражаться на погоде и климате Земли, было получено британскими метеорологами. Отныне придется учитывать космическое излучение при моделировании климатических условий в прошлом и будущем.
Солнечные бури защищают астронавтов
Повышенная солнечная активность на самом деле только сыграла на руку нашим космическим посланцам: бури на Солнце привели к тому, что на борту МКС уровень радиации заметно снизился.
Десятисекундный армагеддон
Американские исследователи считают, что случаи массовой гибели живых существ на Земле можно объяснить, если использовать информацию о мощнейших звездных взрывах, получивших наименование гамма-всплесков. Удалось составить возможный сценарий подобного армагеддона.
В Антарктиде ищут антиматерию
Ученые в Антарктиде осуществили запуск высотного аэростата гигантских размеров. Цель научного эксперимента - постараться приблизиться к пониманию генезиса антивещества в космосе и найти возможные свидетельства существования так называемого хокинговского излучения от "испаряющихся" черных дыр (в рамках теории, предложенной профессором Кембриджского университета Стивеном Хокингом).
Мы живем во времена аномального Солнца
Солнце в настоящее время активно как никогда. Такого с ним не случалось на протяжении по крайней мере последних 1150 лет. Этот вывод был сделан на основе реконструкции числа солнечных пятен финскими и немецкими учеными. Солнце бушует. За прошлую неделю появление гигантских протуберанцев на нашей звезде привело к мощнейшим выбросам в космос заряженных частиц, послужило причиной небывалых магнитных бурь на Земле, выводящих из строя спутники, телекоммуникационные устройства и причиняющих вред здоровью людей.
Радиация слишком опасна для участников экспедиции на Марс
Новые данные, полученные с межпланетной космической лаборатории "Марс Одиссей", находящейся в настоящее время на марсианской орбите, подтверждают подозрения ученых по поводу радиации на Марсе: она столь интенсивна, что это неизбежно подвергнет опасности жизни астронавтов, посланных для исследования Красной планеты.
Кокон вокруг миллисекундного пульсара Черная Вдова
Изображение таинственного пульсара Черная Вдова, полученное "Чандрой", позволило разглядеть удлиненный "кокон" из высокоэнергетических частиц вокруг этого объекта. Таким образом, подтверждается теория, согласно которой даже относительно слабо намагниченные старые нейтронные звезды могут производить мощные электромагнитные поля и ускорять частицы до высоких энергий, если они вращаются достаточно быстро.
Тысячелетний остаток ярчайшей сверхновой
Это псевдоцветное изображение остатка сверхновой звезды SN 1006, вспыхнувшей на земном небе в 1006 году, составлено на основе данных, полученных космической обсерваторией NASA "Чандра", работающей в рентгеновском диапазоне.
Клешня Науки
Комбинированное изображение Крабовидной туманности составлено путем объединения множества снимков с космического телескопа "Хаббл". Туманность имеет волокнистую структуру и по внешнему виду напоминает клешню краба - отсюда и название.
Открытие "Чандры" позволяет разрешить "Парадокс Солнца"
Обзор близких солнцеподобных звезд позволил сделать вывод о том, что в Солнце и вообще в нашей локальной части Вселенной содержится почти в три раза больше неона, чем считалось ранее.
Землю просветят с помощью нейтрино
Регистрация геонейтрино дает возможность получить первую достоверную информацию о химическом составе земных глубин. Также открывается путь к нейтринному сканированию земных недр в разных сечениях, своего рода нейтринной томографии нашей планеты.
Суперускорительный южный танец
Астрономы обнаружили двойную звездную систему, состоящую из голубого гиганта и пульсара, которые в паре работают как мощнейший естественный ускоритель частиц, превращая обычные фотоны в фотоны сверхвысоких энергий.
Тайна ближайшего взрыва сверхновой
Прародитель сверхновой звезды SN 1987A весил в 20 раз больше нашего Солнца, таким образом он оказывался прямо на "разделительной линии", оставляя астрономов в неведении относительно того, какого именно типа компактный объект должен появиться в результате этого катаклизма.
Жизнь в Галактике сберегли звездные мятежники
Группа европейских астрономов выяснила, что многие звездные соседи нашего Солнца движутся по очень необычным маршрутам между спиральными рукавами Млечного пути. Согласно новому исследованию, наши звездные окрестности - это перекресток звездных дорог, где сливаются различные потоки звезд, прибывающих с разных направлений. Некоторые из этих звезд, содержащих свои планетные системы, могут на самом деле оказаться иммигрантами из бурного центрального региона нашей Галактики.
Смерть запрещенного барабанщика: впервые следы гамма-всплеска найдены в нашей Галактике
Комбинация данных, полученных от "Чандры", с наблюдениями в инфракрасном диапазоне, проведенными в обсерватории Паломар, позволила обнаружить остатки одного из самых катастрофических взрывов, случившихся в пределах нашего Млечного пути. Следы подобного явления в нашей Галактике удалось идентифицировать впервые, а сама вспышка произошла несколько тысяч лет назад.
Разрешена одна из загадок космических лучей
Казалось бы, в одной-единственной цифре не может быть ничего выдающегося, однако это позволило не только разрешить споры о месте рождения пульсара и определить размер его нейтронной звезды (а стало быть, уточнить физическую модель этого объекта), но и, возможно, открыть одну из важнейших тайн космических лучей.
В центре Млечного пути найдено антивещество неизвестного происхождения
Это антивещество в принципе может образовываться за счет некоторых энергетически чрезвычайно эффективных атомных процессов, например, в ходе радиоактивного распада изотопа алюминия. Его "подпись" известна как аннигиляционная "линия 511 кэВ". Однако оказалось, что антивещества в центре Галактики слишком много для того, чтобы можно было объяснить его появление только распадом алюминия. Также ясно показано наличие множества источников антивещества - оно вовсе не концентрируется вблизи одной точки.
Новый кандидат в ускорители космических лучей
Удалось разглядеть загадочную обширную петлеобразную структуру поперечником 20 световых лет, которая расположена возле самой компактной области звездообразования в нашей Галактике.
Вселенная взрывается чаще, чем ожидалось
Космический телескоп Swift, запущенный NASA в ноябре 2004 года, "открыл" свои глаза и теперь успешно проводит наблюдения за самыми мощными взрывами во Вселенной. Менее чем за месяц ему уже удалось определить точные параметры 9 гамма-всплесков - это даже больше, чем ожидали сами астрономы.
Сверхновые - это взрывающиеся яйца
Взрывные волны от сверхновых имеют форму яйца, они вовсе не строго сферичны, как считалось ранее. Этот факт - то есть обнаружение такой небольшой асимметрии в процессах звездных взрывов - может сделать сверхновые еще более точным инструментом для измерений расстояний в космосе и для уточнения параметров таинственной антигравитации - темной энергии, заполняющей Вселенную.
Найдено направление "космического ливня", устроившего потоп в Солнечной системе
Едва ли не самая интригующая проблема, с которой в свое время столкнулись исследователи космических лучей, - это необходимость объяснения так называемого "колена" в спектре первичного космического излучения - избытка высокоэнергичных частиц. До сих пор однозначного объяснения этот феномен не получил, но последние исследования все увереннее связывают эту аномалию не с особенностью "работы" галактических магнитных полей или физикой межзвездного пространства, а с тем, что нас, землян, просто угораздило родиться в относительной близости от мощного "ускорителя" частиц определенной энергии, изрядно "попортившего" астрофизикам картину мира.
Датчик гравитационных волн уходит под землю
Гравитационные волны - это своего рода "рябь" в пространственно- временном континууме, которая возникает тогда, когда массивные космические тела испытывают ускорение (точнее говоря, гравитационные волны излучаются массами, движущимися с переменным ускорением). Альберт Эйнштейн предположил их существование в рамках своей Общей теории относительности еще в 1915 году. Двигаться гравитационные волны должны были со скоростью света. Однако эти волны очень слабы и их регистрация до сих пор находится на грани технических возможностей.
Раз в 10 000 лет Земля купается в темной материи
Солнечная система в своем движении через космическое пространство может регулярно сталкиваться с чрезвычайно разреженными скоплениями экзотических элементарных частиц, сохранившимися со времен раннего детства Вселенной. Об этом свидетельствуют вычисления швейцарских физиков.
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
Бури на Солнце съели земной озон
Мощнейшие магнитные бури на Солнце послужили причиной истончения озонового слоя в арктических широтах. Эффект оказался подобен всем известному "эффекту домино" (когда одна упавшая костяшка вызывает падение всех остальных), и начался он в октябре-ноябре 2003 года, когда Солнце испустило рекордное количество заряженных частиц, устремившихся к Земле. Уровень солнечной радиации тогда превысил все мыслимые пределы.
Марсианский корабль понесет защитный радиационный пояс вместе с собой
Разработчики NASA упорно трудятся над тем, чтобы найти защиту от всепроникающей космической радиации, которая угрожает здоровью и самой жизни астронавтов, отправляющихся в длительные экспедиции на Луну и Марс. При этом некоторые ученые рассматривают самые экзотические варианты, призванные надежно защитить экипаж.
Причины полярных сияний на Юпитере отличны от земных
Ученым удалось получить новые сведения об источниках питания юпитерианских полярных сияний - то есть самых захватывающих и обширных "аврорах" всей нашей Солнечной системы. Тщательный мониторинг за состоянием атмосферы гигантской планеты, проводимый специалистами NASA с помощью космической рентгеновской обсерватории "Чандра", позволил обнаружить присутствие заряженных частиц, врезающихся в атмосферу над полюсами газового гиганта.
Загадка солнечных нейтрино решена
Удалось обнаружить эффект "исчезновения" нейтрино. Этот эффект свидетельствует о том, что нейтрино имеют массу и могут осциллировать - то есть превращаться из одного типа в другой. Стандартная модель элементарных частиц, которая успешно использовалась фундаментальной физикой с 70-х годов прошлого века, требует серьезной модернизации.
Землю поливают дожди из маленьких черных дыр
Высокоэнергетические космические лучи, вторгающиеся в атмосферу Земли, могут формировать микроскопические черные дыры, заявляют греческие и российские ученые. Ученые считают, что такие черные мини-дыры могли бы помочь объяснить загадочные результаты, полученные датчиками космического излучения в Боливийских Андах и на Памире - речь о так называемых "кентаврах".
Жизни на Земле угрожают "галактические нырки"
Солнечная система в процессе своего движения в составе галактического диска периодически переходит то в "верхнюю" его часть, то в "нижнюю" и таким образом время от времени подвергается более высоким дозам опасного космического излучения.
Ада на Земле не было
Новое исследование, осуществленное международной группой специалистов под руководством профессора Марка Харрисона, грозит радикально изменить современные представления о самой ранней эпохе существования Земли.
Найден новый суперисточник гамма-лучей неизвестной природы в нашей Галактике
Группе европейских астрономов удалось найти новый неидентифицированный очень высокоэнергетичный источник гамма-излучения в нашей Галактике. Источник, обозначенный как TeV J2032+4130, обнаружен с помощью системы телескопов наземного базирования, отображающей черенковское излучение. Возможно, речь идет о целом новом классе высокоэнергетических источников гамма-излучения пока еще неизвестной природы.