Кіріспе
Космилік сәуле бөлшегі, кинетикалық энергиясы 1 ЭЭВ-тан жоғары
Астробөлшектер физикасында, өте жоғары энергиялы космилік сәуле (UHECR) – 1 ЭЭВ-тан жоғары энергиясы бар космилік сәуле (1018 электронвольт, шамамен 0,16 джоуль), басқа космилік сәуле бөлшектеріне тән тыныштық массасынан және энергиядан әлдеқайда артық. Бұл бөлшектер өте сирек; 2004 және 2007 жылдар аралығында Пьер Огер обсерваториясының (PAO) алғашқы байқауларында шамамен 5,7-ден жоғары энергиясы бар 27 оқиға тіркелді, яғни обсерватория зерттеген 3000 км² аумақта әр төрт апта сайын осындай бір оқиға байқалады. Экстремалды энергиялы космилік сәуле (EECR) – 5 (шамамен 8 джоуль, немесе жарық жылдамдығының ≈ 99,999999999999999998% жылдамдығымен қозғалатын протонның энергиясы) энергиясы бар UHECR, бұл Грейзен–Зацепин–Кузьмин шегі (GZK шегі) деп аталады. Бұл шек, ұзақ қашықтыққа (шамамен 160 миллион жарық жылы) сапарлаған космилік сәуле протондарының ең жоғары энергиясы болуы керек, себебі жоғары энергиялы протондар осы қашықтықтағы ғарыштық микротолқындық фонның (CMB) фотондарынан шашырап, энергиясын жоғалтады. Осыдан келіп, EECR ерте ғаламнан қалған бөлшектер емес, бірақ космологиялық тұрғыдан «жас», белгілі бір белгісіз физикалық процесс арқылы Жергілікті Суперкластерде пайда болған. Егер EECR протон емес, A нуклондары бар ядро болса, онда GZK шегі оның нуклондарына қатысты қолданылады, олар ядроның жалпы энергиясының тек бір бөлігін ғана тасымалдайды. Бұл ең жоғары энергиялы космилік сәулелердің көпшілігі протоннан гөрі темір ядроларынан тұруы мүмкін екендігіне дәлелдер бар. Темір ядросы үшін тиісті шек 2,8 болады. Дегенмен, ядролық физика процестері темір ядролары үшін протонға ұқсас шектерге әкеледі. Басқа көп кездесетін ядролардың шектері одан да төмен болуы керек. EECR-дің гипотетикалық көздері Зеватрон деп аталады, олар Лоренс Беркли ұлттық зертханасының Беватроны мен Фермилабтың Теватроны сияқты, бөлшектерді 1 ZeV (1021 eV, зетта электронвольт) жылдамдатуға қабілетті. 2004 жылы галактикалық реактивтердің Zevatron ретінде әрекет ету мүмкіндігі қарастырылды, себебі реактивтер ішіндегі соққы толқындарынан туындаған бөлшектердің диффузиялық үдеуі. Атап айтқанда, модельдер жақын маңдағы M87 галактикалық реактивінен соққы толқындары темір ядросын ZeV диапазонына дейін үдетуі мүмкін екенін болжады. 2007 жылы Пьер Огер обсерваториясы EECR-дің жақын маңдағы галактикалардың ортасындағы, белсенді галактикалық ядролар (AGN) деп аталатын, галактикадан тыс супермассивті қара тесіктермен байланысын байқады. Алайда, бақылаулар жалғасқан сайын, байланыстың күші әлсіреп барады. Өте жоғары энергияны AGN магнитосфераларындағы үдеудің центробегіш механизмімен де түсіндіруге болады, бірақ жаңа нәтижелер осы космилік сәулелердің 40%-дан азы AGN-нен келетінін көрсетіп, бұрын хабарланғаннан әлдеқайда әлсіз байланысты көрсетеді. Содан бері одан да жоғары энергиялы космилік сәуле бөлшектері байқалды. Олардың арасында 1991 жылдың 15 қазанында түнде Юта штатының Дугвей полигонында Юта университетінің Fly's Eye экспериментімен байқалған «Ой, құдайым!» бөлшегі бар. Оның байқалуы астрофизиктерді таң қалдырды, олар оның энергиясын шамамен 3,2 (50 Дж) деп бағалады, яғни бейсбол добының кинетикалық энергиясына тең атом ядросының энергиясы, кез келген жердегі бөлшектерді үдеткіште өндірілген ең жоғары энергиялы протоннан 40 миллион есе артық. Алайда, осы энергияның тек шағын бөлігі Жердегі протон немесе нейтронмен өзара әрекеттесу үшін қол жетімді болады, ал энергияның көп бөлігі өзара әрекеттесу өнімдерінің кинетикалық энергиясы түрінде сақталады (қараңыз). Мұндай соқтығысу үшін қол жетімді тиімді энергия – бұл бөлшектің энергиясы мен протонның массалық энергиясының екі еселік көбейтіндісінің квадрат түбірі, бұл бұл бөлшек үшін 7,5-ке тең, шамамен 50 есе үлкен адрондық соқтығыстырғыштың соқтығысу энергиясы. Юта университетінің Fly's Eye Космилік Сәуле Байқағышымен алғаш байқалғаннан бері кем дегенде он бес осындай оқиға тіркелді, бұл құбылысты растады. Бұл өте жоғары энергиялы космилік сәуле бөлшектері өте сирек; көптеген космилік сәуле бөлшектерінің энергиясы 10 МэВ пен 10 ГэВ аралығында.
In astroparticle physics, an ultra high energy cosmic ray (UHECR) is a cosmic ray with an energy greater than 1 EeV (1018 electronvolts, approximately 0.16 joules), far beyond both the rest mass and energies typical of other cosmic ray particles. These particles are extremely rare; between 2004 and 2007, the initial runs of the Pierre Auger Observatory (PAO) detected 27 events with estimated arrival energies above 5.7, that is, about one such event every four weeks in the 3000 km2 area surveyed by the observatory. An extreme energy cosmic ray (EECR) is an UHECR with energy exceeding 5 (about 8 joule, or the energy of a proton traveling at ≈ 99.99999999999999999998% the speed of light), the so called Greisen–Zatsepin–Kuzmin limit (GZK limit). This limit should be the maximum energy of cosmic ray protons that have traveled long distances (about 160 million light years), since higher energy protons would have lost energy over that distance due to scattering from photons in the cosmic microwave background (CMB). It follows that EECR could not be survivors from the early universe, but are cosmologically "young", emitted somewhere in the Local Supercluster by some unknown physical process. If an EECR is not a proton, but a nucleus with A nucleons, then the GZK limit applies to its nucleons, which carry only a fraction of the total energy of the nucleus. There is evidence that these highest energy cosmic rays might be iron nuclei, rather than the protons that make up most cosmic rays. For an iron nucleus, the corresponding limit would be 2.8. However, nuclear physics processes lead to limits for iron nuclei similar to that of protons. Other abundant nuclei should have even lower limits. The hypothetical sources of EECR are known as Zevatrons, named in analogy to Lawrence Berkeley National Laboratory's Bevatron and Fermilab's Tevatron, and therefore capable of accelerating particles to 1 ZeV (1021 eV, zetta electronvolt). In 2004 there was a consideration of the possibility of galactic jets acting as Zevatrons, due to diffusive acceleration of particles caused by shock waves inside the jets. In particular, models suggested that shock waves from the nearby M87 galactic jet could accelerate an iron nucleus to ZeV ranges. In 2007, the Pierre Auger Observatory observed a correlation of EECR with extragalactic supermassive black holes at the center of nearby galaxies called active galactic nuclei (AGN). However, the strength of the correlation became weaker with continuing observations. Extremely high energies might be explained also by the centrifugal mechanism of acceleration in the magnetospheres of AGN, although newer results indicate that fewer than 40% of these cosmic rays seemed to be coming from the AGN, a much weaker correlation than previously reported. Cosmic ray particles with even higher energies have since been observed. Among them was the Oh My God particle observed by the University of Utah's Fly's Eye experiment on the evening of 15 October 1991 over Dugway Proving Ground, Utah. Its observation was a shock to astrophysicists, who estimated its energy to be approximately 3.2 (50 J)—in other words, an atomic nucleus with kinetic energy equal to that of a baseball traveling at about
The energy of this particle is some 40 million times that of the highest energy protons that have been produced in any terrestrial particle accelerator. However, only a small fraction of this energy would be available for an interaction with a proton or neutron on Earth, with most of the energy remaining in the form of kinetic energy of the products of the interaction (see ). The effective energy available for such a collision is the square root of double the product of the particle's energy and the mass energy of the proton, which for this particle gives 7.5, roughly 50 times the collision energy of the Large Hadron Collider. Since the first observation, by the University of Utah's Fly's Eye Cosmic Ray Detector, at least fifteen similar events have been recorded, confirming the phenomenon. These very high energy cosmic ray particles are very rare; the energy of most cosmic ray particles is between 10 MeV and 10 GeV.
Пьер Аугер обсерваториясы
Пьер Огер обсерваториясы – энергиясы 1020 ЭВ-тан жоғары ультра жоғары энергиялы ғарыш сәулелері бөлшектерін анықтауға арналған халықаралық ғарыш сәулелері обсерваториясы. Бұл жоғары энергиялы бөлшектердің келу жиілігі ғасыр сайын шамамен 1 шаршы километрге біреуден аспайды, сондықтан осы оқиғалардың көп санын тіркеу үшін Огер обсерваториясы Аргентинаның батысындағы Мендоса провинциясында 3000 км² (Род-Айленд штатының ауданымен шамалас) көлемдегі анықтау аймағын құрды. Пьер Огер обсерваториясы ғарыш сәулелерінің душын бақылауға қолданылатын су резервуарлары жиынтығынан бағыттық ақпарат алумен қатар, түн аспанында азот молекулаларының флуоресценциясын бақылау үшін төрт телескопты пайдаланады. Душ бөлшектері аспанмен өтетін кезде бұл флуоресценция бастапқы ғарыш сәулесі бөлшегі туралы қосымша бағыттық ақпаратты ұсынады. 2017 жылдың қыркүйегінде PAO-дан 12 жылдық байқаулардың нәтижесінде алынған деректер, өте жоғары энергиялы ғарыш сәулелерінің пайда болуына Жер галактикасының шегінен тыс көздің себеп екенін көрсетті.
Нейтронды жұлдыздар
UHECR бөлшектерінің бір болжамды көзі – олардың нейтрон жұлдыздарынан пайда болуы. Жас нейтрон жұлдыздарында, айналу периоды <10 мс болатын жерлерде, нейтрон супертіріктегі суперөткізгіш протондар мен электрондардың квазинейтральді сұйықтығынан магнитогидродинамикалық (МГД) күштер темір ядроларын UHECR жылдамдықтарына дейін жылдамдатады. Қарқынды айналатын жұлдыздардағы нейтронды супертірілкі 108-1011 тесла магнит өрісін жасайды, осы кезде нейтрон жұлдызы магнетар болып саналады. Бұл магнит өрісі – байқалатын ғаламдағы ең күшті тұрақты өріс және суперновадан қалған темір ядроларын қажетті энергияға дейін жылдамдатуға мүмкіндік беретін салыстырмалы MHD желін жасайды. Нейтронды жұлдыздардан UHECR-дің тағы бір гипотезалық көзі – нейтронды жұлдыздан таңғажайып жұлдызға өту кезінде болады. Бұл гипотеза, таңғажайып материяның материяның негізгі жағдайы екені деген болжамға негізделген, бірақ оны растайтын эксперименттік немесе байқау деректері жоқ. Нейтрон жұлдызының өте зор гравитациялық қысымының салдарынан, тепе-теңдіктегі жоғары, төмен және таңғажайып кварктардан тұратын материяның кішкентай қалталары бір адрон ретінде әрекет етеді (көптеген бариондарға қарама-қарсы). Бұл бүкіл жұлдызды таңғажайып материяға айналдырады, осы кезде нейтрон жұлдызы таңғажайып жұлдызға айналады және оның магнит өрісі бұзылады, себебі квазинейтральді сұйықтықтағы протон мен нейтрон таңғажайып бөлшектерге айналады. Бұл магнит өрісінің бұзылуы үлкен амплитудалы электромагниттік толқындарды (LAEMW) шығарады. LAEMW-тер суперновадан қалған жеңіл иондарды UHECR энергиясына дейін жылдамдатады. "Өте жоғары энергиялы ғарыштық сәулелік электрондар" (≥1014эВ энергиясы бар электрондар ретінде анықталады) Пулсарлар сияқты Жүгіртке магнитосферасындағы үдеудің центробестік механизмімен түсіндірілуі мүмкін. Жүгіртке пульсарының магнитосферасындағы осы энергия деңгейіне электронды жеделдетудің мүмкіндігін 2019 жылы Жүгіртке тұмандығынан келетін ультра жоғары энергиялы гамма сәулелерін байқау, 33 мс айналу периоды бар жас пульсар қолдайды.
Белсенді галактикалық ядролар
Көккөкке қарай ығысқан ғарыштық микротолқындық фондық сәулеленумен өзара әрекеттесу осы бөлшектердің энергиясын жоғалтпай жүре алатын қашықтығын шектейді; бұл Грейзен-Зацепин-Кузьмин шегі немесе GZK шегі деп аталады. Мұндай жоғары энергиялы бөлшектердің пайда болуы көп жылдар бойы жұмбақ болып келді. Пьер Огер обсерваториясының соңғы нәтижелері ультра жоғары энергиялы ғарыштық сәулелердің келу бағыттарының жақын маңдағы галактикалардың ортасындағы белсенді галактикалық ядролар (AGN) деп аталатын галактикадан тыс супермассивті қара тесіктермен байланысты екенін көрсетеді, олардың ішкі аккрециялық дискілерінде уақыт өзгеруі байқалады. Қара тесіктің айналуы УВЭКР өндірісін қамтамасыз ету үшін тиімді агент болуы мүмкін, егер иондар галактикалық ядроның терең қабаттарындағы шектеуші факторларды, атап айтқанда қисаю сәулесін және ішкі дискінен сәулеленумен серпілістің иілмейтін шашырауын болдырмау үшін тиісті түрде шығарылса. Төмен жарықтылықты, үзіліспен қайталанатын Сейферт галактикалары ядродан бірнеше жарық жылы қашықтықта сызықтық үдеткіш құру арқылы талаптарға жауап бере алады, бірақ олардың кеңейтілген иондық торилеріндегі ультракүлгін сәулелену иондық қоспаларды қамтамасыз етеді. Тиісті электр өрістері шамамен 10 В/см шамасында кішкентай, сондықтан байқалған УВЭКР көздің астрономиялық мөлшерін көрсетеді. Пьер Огер обсерваториясының жақсартылған статистикасы қазіргі уақытта УВЭКР-дің (Жергілікті Ғаламнан) Сейферттермен және LINER-лермен байланысын анықтау үшін маңызды рөл атқарады.
Қара материямен байланысы
Белсенді галактикалық ядролар қара материяны жоғары энергиялы протондарға түрлендіре алады деген гипотеза бар. Санкт-Петербургтегі Теориялық физиканың Александр Фридман лабораториясындағы Юрий Павлов пен Андрей Гриб қара материя бөлшектері протоннан шамамен 15 есе ауыр екенін және олар қалыпты материямен өзара әрекеттесетін типтегі ауыр виртуалды бөлшектердің жұптарына ыдырай алады деп болжайды. Белсенді галактикалық ядроның жанында, осы бөлшектердің біреуі қара тесікке түсіп, екіншісі Пенроуз процесі сипаттағандай қашып кетеді. Кейбір бөлшектер келіп түскен бөлшектермен соқтығысады; бұл Павловтың сөзінше, өте жоғары энергиялы қалыпты, көруге болатын протондарды құрауы мүмкін өте жоғары энергиялы соқтығысулар. Павлов содан кейін мұндай процестердің куәсі – ультра жоғары энергиялы ғарыш сәулелері бөлшектері дейді.