Ледяная правда Ученые опровергли очень популярную астрофизическую гипотезу

На днях группа ученых опубликовала результаты анализа данных, которые получил один из самых удивительных существующих физических приборов - вмороженный в лед Антарктиды гигантский детектор нейтрино IceCube. Собранный "ледяным кубом" материал неожиданно для всех опроверг очень популярную астрофизическую гипотезу, лишив исследователей отличного объяснения загадочного космического явления - космических лучей необычайно высокой энергии, пронизывающих Вселенную.

Источник энергии

Необъятное космическое пространство только кажется пустым - в действительности огромные расстояния между галактиками, звездами и планетами непрестанно пересекает бесчисленное множество всевозможных частиц. Большую часть из них составляют электроны или ядра атомов - в основном, ядра водорода (то есть одиночные протоны), но встречаются также и ядра более тяжелых частиц вплоть до железа.

Потоки этих частиц, которые часто называют космическими лучами, путешествуют по Вселенной практически со скоростью света, и, как считается, большая их часть рождается при взрывах сверхновых. Этим термином называют последнюю стадию жизни некоторых звезд, во время которой из-за выгорания питающего звезду водородного топлива, внешние оболочки светила "обрушаются" внутрь. Происходящий взрыв выбрасывает в окружающее пространство большую часть вещества, из которого состояла звезда. Кроме того, при вспышке сверхновой появляются быстро меняющиеся магнитные поля, которые отклоняют летящие по космосу заряженные частицы от их первоначального маршрута. Если частица попадает в "ловушку" магнитных линий, она многократно меняет свою траекторию, накапливая энергию при каждой смене направления. Со стороны такая частица выглядит как шарик для настольного тенниса, отскакивающий от невидимых ракеток.

Однако такие магнитные "качели" не объясняют природы самой удивительной когорты космических лучей, обладающих колоссальной энергией - она на много порядков превосходит те энергии, которые физики могут "вкачать" частицам в ускорителях. Максимальная энергия, которую удастся придать протонам в ускорительном кольце Большого адронного коллайдера (при условии штатной работы), составит 7x10¹² электронвольт, а удивительные космические лучи врезаются в планету с энергией около 1x10¹⁸-1x10²⁰ электронвольт.

На сегодняшний день ученые не знают, где и как рождаются эти частицы, хотя теоретики разработали целый ряд гипотез, объясняющих, какие процессы могли бы придать частицам такую невероятную энергию. Наибольшей популярностью пользуются две модели: первая предполагает, что сверхвысокоэнергетические космические лучи рождаются в активных ядрах галактик (АЯГ). Этим словосочетанием астрономы обозначают небольшую область в центре некоторых галактик, испускающую чрезвычайно интенсивное излучение практически во всем диапазоне спектра.

Предполагается, что за излучение отвечают "сидящие" в галактиках сверхмассивные черные дыры – падающая на них с огромной скоростью материя разогревается и начинает испускать фотоны различной энергии. Взаимодействие ассоциированных с АЯГ черных дыр и окружающей материи может приводить к появлению мощнейших выбросов частиц, или джетов, разлетающихся в двух противоположных направлениях. Ученые предполагают, что джеты могут работать как гигантские ускорители и разгонять элементарные частицы космических лучей до чудовищных энергий.

Вторая гипотеза связывает высокоэнергетические космические лучи с другим грандиозным космическим явлением - гамма-всплесками. Гамма-всплеск, или вспышка, представляет собой взрывной выброс огромного количества энергии, большая часть которой приходится на самое жесткое излучение электромагнитного спектра. Природа этого явления до конца не изучена, но многие специалисты склоняются к мнению, что гамма-всплеск происходит при "схлопывании" массивной звезды в черную дыру или нейтронную звезду. Согласно еще одной версии, гамма-всплески происходят при столкновениях двух черных дыр. Механизм разгона элементарных частиц в этом случае напоминает механизм, описанный для АЯГ.

"Модели ускорения космических частиц в гамма-всплесках были сильно разрекламированы и пользовались популярностью у астрономов, но у теоретиков был к ним ряд вопросов, на которые не было ответов", - объясняет доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Сергей Троицкий. Но ни у противников, ни у сторонников этой гипотезы не было фактических данных, которые могли бы окончательно разрешить их спор. Возможность на практике проверить надежность привлекательной модели появилась в декабре 2010 года, когда в Антарктиде была окончательно достроена нейтринная обсерватория IceCube (хотя сбор данных начался раньше).

Ледяной куб

Этот уникальный прибор сам по себе заслуживает отдельного рассказа. Обсерватория расположена на Южном полюсе, а ее рабочие элементы, в буквальном смысле, вморожены в лед. IceCube "ловит" нейтрино - лишенные заряда и почти безмассовые частицы, которые также пронизывают космическое пространство. Более того, нейтрино составляют большую часть всех частиц, перемещающихся по Вселенной - однако ученые знают о них огорчительно мало. Дело в том, что нейтрино практически не взаимодействуют с другим веществом - ежесекундно сквозь каждый квадратный сантиметр земной поверхности (или тела человека) проходят около 6x10¹⁰ нейтрино, не вызывая никаких изменений. Горные породы, земная кора, бетон, свинец также не являются препятствием для этих частиц.

Но изредка нейтрино все же вступают в контакт с атомами "обычной" материи, давая другие частицы, которые легче регистрировать. В частности, образуются мюоны - более тяжелые "родственники" электронов, взаимодействие которых с окружающими атомами можно непосредственно засечь по слабым вспышкам света. Хотя столкновения нейтрино с другой материей происходят крайне редко, их последствия можно поймать, если наблюдать за большими массивами вещества. Например, разместить детекторы в огромных емкостях с водой или в ледяных глыбах. Создатели IceCube выбрали второй вариант.

Более пяти тысяч детекторов обсерватории на 86 длинных тросах спущены под ледяной щит Антарктиды на 1,4 километра - из-за огромного давления на этой глубине во льду почти нет "застывших" пузырьков воздуха, которые вытесняются наверх. Такие пузырьки довольно серьезно мешают проведению измерений. В общей сложности IceCube охватывает около кубического километра ледяной толщи.

Подледная обсерватория преимущественно ищет нейтрино, несущие большую энергию, так как именно они чаще всего взаимодействуют с веществом. Такие нейтрино, например, образуются при взрывах сверхновых, гамма-всплесках или в результате "работы" черных дыр. Анализируя количество "пойманных" нейтрино и их энергию, исследователи могут составить представление о породившем их явлении - ну и заодно изучить свойства самих нейтрино.

У читателя может возникнуть закономерный вопрос: а как нейтрино связаны со сверхвысокоэнергетическими космическими лучами, о которых шла речь в начале статьи? Связь здесь самая непосредственная: при попадании разогнавшихся до огромных скоростей протонов в магнитные поля и их взаимодействии с гамма-излучением, которое в избытке испускается при гамма-всплеске, образуются те самые нейтрино высокой энергии, которые должен искать IceCube.

Так как нейтрино не заряжены, никакие магнитные поля не могут изменить траекторию их движения, и в том случае, если поток нейтрино от гамма-всплеска изначально был выброшен в направлении Земли, через некоторое время частицы неминуемо пройдут сквозь нашу планету. Появление гамма-всплесков непрерывно отслеживают множество спутников, которые с точностью до сотых долей секунды определяют, когда именно произошла вспышка. Имея на руках эту информацию и данные, собранные IceCube, ученые могут установить, была ли корреляция между гамма-всплеском и поимкой нейтрино.

В общей сложности исследователи проанализировали результаты деятельности подледной обсерватории за год. Свои выводы специалисты опубликовали в журнале Nature. Им не удалось найти никакой связи между гамма-всплесками и появлением высокоэнергетических нейтрино - а наличие именно этой связи должно было подтвердить правомерность гипотезы об ускорении частиц при гамма-вспышках.

"Результаты, полученные на IceCube, выглядят достаточно надежными, хотя в науке принято, что для окончательной уверенности необходимо дождаться подтверждения от независимого коллектива", - рассказал Троицкий и добавил, что в настоящее время достойных конкурентов у антарктической обсерватории нет, так как IceCube заметно обгоняет все остальные детекторы по площади покрытия.

Впрочем, физик полагает, что "убийство" популярной гипотезы о связи высокоэнергетических космических лучей с гамма-всплесками - хорошая новость. "Теперь, наконец, появилась работа, которая окончательно поставит точку в этом вопросе и отменит гипотезу, к которой у теоретиков и так было много претензий. Может быть, теперь никто не захочет тратить свое время и спасать ее. Хотя, конечно, лазейки есть всегда, и желающие построить какие-нибудь экзотические модели, объясняющие это расхождение, могут найтись".

Окончательный отказ от "гипотезы гамма-всплесков" даст зеленую улицу ее "конкурентке" - модели, которая связывает появление космических лучей колоссальной энергии с АЯГ. На сегодня у астрофизиков нет убедительных данных, которые бы подтверждали или опровергали эту модель. "Пару лет назад в прессе появлялись сообщения о "закрытии" этой гипотезы, однако в действительности претензии ученых относились не к самой модели, а к качеству вышедшей незадолго до этого работы, якобы, представившей доказательства в пользу связи АЯГ с появлением лучей высокой энергии", - разъясняет Троицкий.

Но основной результат работы специалистов обсерватории IceCube, по мнению астрофизика, касается вовсе не тех или иных гипотез о природе сверхвысокоэнергетических частиц. "Главное - что эта работа даст толчок к развитию понимания того, что же происходит при собственно гамма-всплесках. И этот вопрос представляет интерес независимо от вопросов об ускорении космических лучей, поскольку пока мы далеки от надежной количественной модели гамма-всплеска".