Введение
Космический луч с кинетической энергией больше 1 ЭэВ. В астрочастичной физике, ультравысокоэнергетический космический луч (UHECR) – это космический луч с энергией больше 1 ЭэВ (10¹⁸ электронвольт, приблизительно 0,16 джоуля), значительно превышающей массу покоя и энергии, типичные для других частиц космических лучей. Эти частицы крайне редки: в период с 2004 по 2007 год, в ходе первых запусков обсерватории Пьера Оже (PAO), было зарегистрировано 27 событий с оцененной энергией прибытия выше 5,7, то есть примерно одно такое событие каждые четыре недели на площади 3000 км², наблюдаемой обсерваторией. Космический луч с экстремальной энергией (EECR) – это UHECR с энергией, превышающей 5 (около 8 джоулей, или энергию протона, движущегося со скоростью ≈ 99,999999999999999998% скорости света), так называемый предел Грейзена — Зацепина — Кузьмина (GZK-предел). Этот предел считается максимальной энергией протонов космических лучей, прошедших большие расстояния (около 160 миллионов световых лет), поскольку протоны с большей энергией потеряли бы энергию на этом расстоянии из-за рассеяния фотонов в космическом микроволновом фоне (CMB). Следовательно, EECR не могли сохраниться с ранней Вселенной, а являются космологически "молодыми", испущенными где-то в Местном сверхскоплении каким-то неизвестным физическим процессом. Если EECR – это не протон, а ядро с A нуклонами, то GZK-предел применяется к его нуклонам, которые несут лишь часть общей энергии ядра. Есть свидетельства, что эти космические лучи с наивысшей энергией могут быть железными ядрами, а не протонами, составляющими большинство космических лучей. Для железного ядра соответствующий предел составит 2,8. Однако ядерно-физические процессы приводят к ограничениям для железных ядер, аналогичным ограничениям для протонов. Другие распространенные ядра должны иметь еще более низкие пределы. Гипотетические источники EECR известны как зеватроны, названные по аналогии с беватроном Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и теватроном Фермилаба, и, следовательно, способны ускорять частицы до 1 ЗеВ (10²¹ эВ, зеттаэлектронвольт). В 2004 году рассматривалась возможность того, что галактические джеты действуют как зеватроны из-за диффузионного ускорения частиц, вызванного ударными волнами внутри джетов. В частности, модели предполагали, что ударные волны от близлежащего галактического джета M87 могут ускорить железное ядро до диапазонов ЗеВ. В 2007 году обсерватория Пьера Оже обнаружила корреляцию EECR со сверхмассивными черными дырами в центрах близлежащих галактик, называемых активными галактическими ядрами (AGN). Однако, с продолжением наблюдений, сила корреляции ослабевала. Чрезвычайно высокие энергии могут быть объяснены также центробежным механизмом ускорения в магнитосферах AGN, хотя новые результаты указывают на то, что менее 40% этих космических лучей, по-видимому, исходят от AGN, что является гораздо более слабой корреляцией, чем сообщалось ранее. С тех пор были зарегистрированы частицы космических лучей с еще более высокой энергией. Среди них – частица "О, мой Бог", зарегистрированная экспериментом "Око мухи" Университета Юты вечером 15 октября 1991 года над полигоном Дагвей, штат Юта. Это наблюдение стало шоком для астрофизиков, которые оценили ее энергию примерно в 3,2 (50 Дж), то есть атомное ядро с кинетической энергией, равной энергии бейсбольного мяча, движущегося со скоростью, примерно в 40 миллионов раз превышающей энергию протонов, полученных в любом наземном ускорителе частиц. Однако лишь небольшая часть этой энергии будет доступна для взаимодействия с протоном или нейтроном на Земле, большая часть энергии останется в виде кинетической энергии продуктов взаимодействия (см.). Эффективная энергия, доступная для такого столкновения, равна квадратному корню из удвоенного произведения энергии частицы и энергии массы протона, что для этой частицы дает 7,5, примерно в 50 раз больше энергии столкновения Большого адронного коллайдера. С момента первого наблюдения, выполненного детектором космических лучей "Молчащий глаз" Университета Юты, было зарегистрировано по меньшей мере пятнадцать подобных событий, подтверждающих это явление. Эти очень высокоэнергетические частицы космических лучей крайне редки; энергия большинства частиц космических лучей находится в диапазоне от 10 МэВ до 10 ГэВ.
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.
Обсерватория Пьера Аугера
Обсерватория Пьера Оже — международная обсерватория космических лучей, предназначенная для регистрации ультравысокоэнергетических частиц космических лучей (с энергиями свыше 10<sup>20</sup> эВ). Оцениваемая частота прихода этих высокоэнергетических частиц составляет всего 1 на квадратный километр в столетие, поэтому для регистрации значительного числа событий обсерватория Оже создала зону регистрации площадью 3000 км<sup>2</sup> (размером с Род-Айленд) в провинции Мендоса, на западе Аргентины. Обсерватория Пьера Оже, помимо получения информации о направлении из сети водяных детекторов, используемых для наблюдения компонентов ливня космических лучей, также оснащена четырьмя телескопами, направленными в ночное небо для наблюдения флуоресценции молекул азота при прохождении частиц ливня сквозь атмосферу, что позволяет получить дополнительную информацию о направлении прихода первичной частицы космического луча. В сентябре 2017 года данные 12 лет наблюдений, полученные обсерваторией Пьера Оже, подтвердили внегалактический источник (за пределами Галактики Земли) для происхождения космических лучей с экстремально высокими энергиями.
Нейтронные звезды
Одним из предполагаемых источников частиц UHECR является их происхождение от нейтронных звезд. В молодых нейтронных звездах с периодами вращения менее 10 мс, магнитогидродинамические (МГД) силы, создаваемые квазинейтральной жидкостью сверхпроводящих протонов и электронов, существующей в нейтронной сверхжидкости, ускоряют ядра железа до скоростей UHECR. Нейтронная сверхжидкость в быстро вращающихся звездах создает магнитное поле от 10⁸ до 10¹¹ тесла, при этом нейтронная звезда классифицируется как магнетар. Это магнитное поле является самым сильным стабильным полем во наблюдаемой Вселенной и создает релятивистский МГД-ветер, который, как считается, ускоряет ядра железа, оставшиеся после взрыва сверхновой, до необходимой энергии. Другой гипотетический источник UHECR от нейтронных звезд – это процесс горения нейтронной звезды в странную звезду. Эта гипотеза основывается на предположении, что странная материя является основным состоянием материи, что не подтверждается экспериментальными или наблюдательными данными. Из-за огромного гравитационного давления внутри нейтронной звезды, предполагается, что формируются небольшие области материи, состоящие из верхних, нижних и странных кварков в равновесии, функционирующие как единый адрон (в отличие от множества барионов). Это приводит к превращению всей звезды в странную материю, при этом нейтронная звезда становится странной звездой, а ее магнитное поле разрушается, поскольку протоны и нейтроны в квазинейтральной жидкости превращаются в странглеты. Разрушение магнитного поля высвобождает электромагнитные волны большой амплитуды (LAEMW). Эти LAEMW ускоряют легкие ионные остатки сверхновой до энергий UHECR. "Ультравысокоэнергетические электроны космических лучей" (определяемые как электроны с энергиями ≥10¹⁴ эВ) могут быть объяснены центробежным механизмом ускорения в магнитосферах пульсаров типа Краба. Возможность ускорения электронов до этого энергетического уровня в магнитосфере пульсара Краба подтверждается наблюдением в 2019 году ультравысокоэнергетических гамма-лучей, исходящих из туманности Краба – молодого пульсара с периодом вращения 33 мс.
Активные галактические ядра
Взаимодействие с космическим микроволновым фоновым излучением, испытывающим синее смещение, ограничивает расстояние, которое эти частицы могут пройти, прежде чем потерять энергию; это известно как предел Грейзена — Зацепина — Кузьмина, или предел GZK. Источник таких высокоэнергетических частиц оставался загадкой на протяжении многих лет. Недавние результаты, полученные обсерваторией Пьера Огера, показывают, что направления прихода ультравысокоэнергетических космических лучей, по-видимому, коррелируют с внегалактическими сверхмассивными черными дырами в центрах близлежащих галактик, называемых активными галактическими ядрами (AGN), и их временной изменчивостью во внутренних аккреционных дисках. Спин черной дыры является потенциально эффективным фактором для генерации УВЭКР, при условии, что ионы будут должным образом ускорены, чтобы преодолеть ограничивающие факторы в глубине галактического ядра, в частности, излучение кривизны и неэластичное рассеяние на излучении внутреннего диска. Галактики Сейферта с низкой светимостью и прерывистой активностью могут соответствовать этим требованиям, формируя линейный ускоритель на расстоянии нескольких световых лет от ядра, но внутри их расширенных ионных торов, ультрафиолетовое излучение которых обеспечивает поступление ионных примесей. Соответствующие электрические поля невелики, порядка 10 В/см, и наблюдаемые УВЭКР указывают на астрономические размеры источника. Улучшенная статистика, полученная обсерваторией Пьера Огера, будет иметь решающее значение для подтверждения предварительной связи УВЭКР (из Локальной Вселенной) с галактиками Сейферта и LINER.
Связь с темной материей
Предполагается, что активные галактические ядра способны преобразовывать темную материю в протоны высокой энергии. Юрий Павлов и Андрей Гриб из Лаборатории теоретической физики имени Александра Фридмана в Санкт-Петербурге выдвигают гипотезу о том, что частицы темной материи примерно в 15 раз массивнее протонов, и что они могут распадаться на пары более тяжелых виртуальных частиц, взаимодействующих с обычной материей. Вблизи активного галактического ядра одна из этих частиц может упасть в черную дыру, а другая – покинуть её, как описано процессом Пенроуза. Некоторые из этих частиц будут сталкиваться с входящими частицами; это столкновения очень высокой энергии, которые, по мнению Павлова, могут приводить к образованию обычных видимых протонов с очень высокой энергией. Павлов утверждает, что свидетельством таких процессов являются частицы ультравысокоэнергетических космических лучей.