Сверхтяжелая природа загадочной частицы Аматэрасу

Физики допустили сверхтяжелую природу загадочной космической частицы

В попытках объяснить происхождение Аматэрасу — частицы космических лучей сверхвысоких энергий, — физики предположили, что она может быть не протоном или ядром железа, а ядром очень тяжелого элемента. Если их гипотеза верна, то самые мощные космические лучи способны преодолевать гораздо большие расстояния, чем считалось ранее, а их источниками могут быть столкновения нейтронных звезд и другие экстремальные события во Вселенной.

Космические лучи сверхвысоких энергий — это элементарные частицы и атомные ядра, движущиеся из других галактик почти со скоростью света и время от времени достигающие Земли. Изучают их уже десятки лет, но происхождение по-прежнему неизвестно. Проблема в том, что пространство между галактиками заполнено реликтовым излучением — своеобразным «эхом» Большого взрыва. Когда космические лучи сталкиваются с этими фотонами, то постепенно теряют энергию, из-за чего самые мощные частицы должны прилетать только из сравнительно близких областей Вселенной.

В 2023 году ученые эксперимента Telescope Array зарегистрировали частицу Аматэрасу с энергией около 244 эксаэлектронвольт. Это настолько много, что зафиксировать подобное событие — большая удача. Названная в честь японской богини Солнца Аматэрасу прилетела к нам в мае 2021 года из практически пустой области: поблизости не было объектов, способных сообщить ей такую энергию. Это поставило астрофизиков в тупик.

Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, предложили необычное объяснение происхождения этой частицы. По их мнению, Аматэрасу могла быть не протоном и не ядром железа, как обычно предполагается для космических лучей сверхвысоких энергий, а тяжелым атомным ядром, например платины.

Некоторые из таких тяжелых ядер образуются в результате самых экстремальных событий во Вселенной, к примеру столкновениях нейтронных звезд, когда вещество сжимается до невероятной плотности и возникают условия для синтеза тяжелых элементов.

Чтобы проверить, как такие ядра ведут себя во время путешествия через межгалактическое пространство, физики создали расширенную компьютерную модель, которая учитывает тысячи разновидностей тяжелых атомных ядер и их взаимодействия с реликтовым излучением. По итогу исследователи просчитали, как эти ядра теряют энергию, распадаются и меняют состав по пути к Земле.

Расчеты показали, что тяжелые атомные ядра могут сохранять высокую энергию дольше, чем протоны или более легкие ядра. Это значит, что они способны преодолевать значительно большие расстояния в космосе, прежде чем «затормозить» из-за взаимодействия с реликтовым излучением. Иными словами, Аматэрасу действительно могла прилететь из очень далекого источника, который раньше не рассматривался всерьез.

Ученые также сравнили свои расчеты с данными крупнейших установок по изучению космических лучей — Pierre Auger Observatory и Telescope Array. Оказалось, что присутствие небольшого количества очень тяжелых атомных ядер помогает лучше объяснить самые редкие и энергичные события. Особенно хорошо эта гипотеза согласуется с наблюдениями Telescope Array, где и была обнаружена Аматэрасу.

Если выводы ученых подтвердятся, это изменит представления о природе космических лучей сверхвысоких энергий, так как будет означать, что во Вселенной до рекордных энергий могут разгоняться не только легкие частицы, но и тяжелые атомные ядра.

Таким образом, ключ к разгадке происхождения Аматэрасу может скрываться в самых мощных космических катастрофах — столкновениях нейтронных звезд и взрывах массивных светил, где одновременно рождаются тяжелые элементы, гравитационные волны и, возможно, самые энергичные частицы в природе.