Введение
Международная обсерватория космических лучей в Аргентине
Обсерватория Пьера Оже – это международная обсерватория космических лучей в Аргентине, предназначенная для обнаружения ультравысокоэнергетических космических лучей: субатомных частиц, движущихся почти со скоростью света и обладающих энергией более e=18. В атмосфере Земли такие частицы взаимодействуют с ядрами воздуха, производя различные другие частицы. Эти вторичные частицы (называемые «воздушным ливнем») могут быть обнаружены и измерены. Однако, поскольку предполагаемая частота прихода этих высокоэнергетических частиц составляет всего 1 на км² в столетие, обсерватория Оже создала зону регистрации размером с Род-Айленд или Люксембург, чтобы зарегистрировать большое количество этих событий. Она расположена в западной провинции Мендоса, Аргентина, недалеко от Анд. Строительство началось в 2000 году, обсерватория собирает данные для исследований с 2005 года и была официально завершена в 2008 году. Северный участок планировалось разместить в юго-восточном Колорадо, США, при поддержке Lamar Community College. Он также должен был состоять из водо-черенковских детекторов и флуоресцентных телескопов, охватывающих площадь 10 370 км², что в 3,3 раза больше площади Auger South. Обсерватория названа в честь французского физика Пьера Виктора Оже. Проект был предложен Джимом Кронином и Аланом Уотсоном в 1992 году. Сегодня более 500 физиков из почти 100 институтов по всему миру сотрудничают в поддержании и модернизации объекта в Аргентине, а также в сборе и анализе полученных данных. 15 стран-участниц разделили бюджет на строительство в размере 50 миллионов долларов, каждая из которых внесла небольшую часть общей стоимости.
Физическое происхождение
Из космоса на Землю достигают космические лучи ультравысокой энергии. Они состоят из отдельных субатомных частиц (протонов или атомных ядер), каждая из которых обладает энергией выше e=18. Когда такая частица достигает атмосферы Земли, её энергия рассеивается, порождая миллиарды других частиц: электронов, фотонов и мюонов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Эти частицы распространяются вдоль траектории входящей частицы, формируя движущуюся плоскость частиц с наибольшей интенсивностью вблизи оси. Такое явление называется «воздушным ливнем». Проходя через атмосферу, эта плоскость частиц создает ультрафиолетовое излучение, невидимое человеческому глазу, известное как флуоресцентный эффект, напоминающий прямые следы молнии. Эти следы можно зафиксировать на высокоскоростных снимках с помощью специализированных телескопов – флуоресцентных детекторов, расположенных на возвышенности с обзором местности. Когда частицы достигают поверхности Земли, их можно обнаружить при попадании в резервуар с водой, где они вызывают видимое синее свечение благодаря эффекту Черенкова. Чувствительная фотоэлектронная трубка регистрирует эти события. Такая установка называется водным детектором Черенкова или «танком». Обсерватория Огю (Auger) использует оба типа детекторов, охватывающих одну и ту же территорию, что обеспечивает высокую точность измерений. Когда воздушный ливень регистрируется несколькими детекторами Черенкова на земле, направление первичного луча можно вычислить, используя элементарную геометрию. По плотности зарегистрированных частиц на каждой наземной станции можно определить положение продольной оси ливня. В зависимости от разницы во времени регистрации в разных детекторах можно определить угол наклона оси. Только при вертикальном направлении оси все наземные детекторы зарегистрируют сигнал одновременно, а при любом отклонении оси возникнет разница во времени между первым и последним зарегистрированным сигналом.
Ранние обсерватории
Космические лучи были открыты в 1912 году Виктором Гессом. Он измерил разницу в ионизации на разных высотах (используя Эйфелеву башню и пилотируемый воздушный шар Гесса), что свидетельствовало об уменьшении плотности атмосферы и, следовательно, о рассеянии единичного луча. Влияние Солнца было исключено путем измерений во время солнечного затмения. Многие ученые исследовали это явление, порой независимо друг от друга, и в 1937 году Пьер Оже смог детально заключить, что это был единичный луч, взаимодействующий с ядрами воздуха и вызывающий электронно-фотонный ливень. Одновременно с этим была открыта третья частица – мюон (обладающий свойствами очень тяжелого электрона).
Поверхностный детектор (SD)
В 1967 году Лидский университет разработал водный детектор Черенкова (или наземную станцию; небольшая емкость с водой глубиной 1,2 м, также называемая резервуаром) и создал зону регистрации площадью 12 км² в Хаверах-парке, используя 200 таких резервуаров. Они были расположены группами по четыре в виде треугольника (Y) различного размера. Обсерватория работала в течение 20 лет и определила основные конструктивные параметры системы наземного детектирования для обсерватории Огэр. В последующие годы исследованием руководил Алан Уотсон, который затем стал одним из инициаторов сотрудничества в рамках обсерватории Огэр.
Флуоресцентный детектор (FD)
Между тем, на ранчо Вулкан (Нью-Мексико, 1959–1978), в установке "Мушиный глаз" (Дугвей, Юта) и её преемнике – высокоразрешающем детекторе космических лучей "Мушиный глаз", известном как "HiRes" (Университет Юты), была разработана методика флуоресцентного детектирования. Это оптические телескопы, настроенные на регистрацию ультрафиолетового излучения при обзоре поверхности. Они используют фасетное наблюдение (отсюда и название "Мушиный глаз"), для создания пиксельных изображений с высокой скоростью. В 1992 году Джеймс Кронин возглавил исследование и стал одним из инициаторов сотрудничества Auger Observation Collaboration.
Результаты
Обсерватория собирает качественные данные с 2005 года и была официально завершена в 2008 году. В ноябре 2007 года команда проекта Auger объявила о некоторых предварительных результатах. Эти результаты показали, что направления прихода 27 событий с наивысшей энергией коррелировали с местоположениями активных галактических ядер (AGN). Однако последующая проверка с использованием значительно большей выборки данных показала, что высокая степень корреляции, первоначально обнаруженная, вероятнее всего была вызвана статистическим флуктуациями. В 2017 году данные, полученные за 12 лет наблюдений, позволили обнаружить значительную анизотропию направления прихода космических лучей с энергиями выше 8. Это подтверждает, что источниками этих космических лучей с чрезвычайно высокой энергией являются внегалактические объекты (т.е. находящиеся за пределами нашей галактики) (см. Ультравысокоэнергетические космические лучи). Однако пока неизвестно, какие типы галактик ответственны за ускорение этих ультравысокоэнергетических космических лучей. Этот вопрос остаётся предметом исследования в рамках модернизации AugerPrime обсерватории Пьера Оже. Коллаборация Пьера Оже предоставила (в образовательных целях) 1 процент событий наземного детектора с энергией ниже 50 EeV (e=18). События с более высокой энергией требуют более детального физического анализа и не публикуются в таком формате. Данные доступны для изучения на веб-сайте Public Event Display. По состоянию на октябрь 2021 года часть данных (10 процентов), представленных на Международной конференции по космическим лучам 2019 года в Мэдисоне (США), находится в открытом доступе.
В популярной культуре
14 июля 2007 года Аргентина выпустила 100 000 почтовых марок, посвященных обсерватории. На марке на переднем плане изображен резервуар поверхностного детектора, на заднем плане – здание флуоресцентных детекторов, а крупными буквами на ней написано "e=20".