Частица с энергией $10^{18}$ эВ врезается в атмосферу Земли — это как если бы теннисный мяч, летящий со скоростью 200 км/ч, врезался в стену. Откуда берутся такие снаряды, астрофизики спорят десятилетиями. Гамма-всплески — кратковременные мощные взрывы гамма-излучения — давно подозревали в роли ускорителей. Но расчёты показывали: если они разгоняют частицы, то должны порождать слишком много нейтрино и гамма-квантов, а детекторы их не видят.
Новая работа предлагает выход. Гамма-всплеск выбрасывает вещество узким релятивистским джетом — как прожектор, бьющий лучом в одну точку неба. Большинство джетов широкие, как свет фонаря, освещающего двор. Но есть редкие — узкие, как лазерная указка. Авторы рассмотрели популяцию таких узких джетов в ближней Вселенной (красное смещение z ≤ 0.36, то есть в пределах примерно 4 миллиардов световых лет). Эти «лазерные указки» бьют точнее и тратят меньше энергии впустую, поэтому могут разгонять частицы эффективнее, а побочного излучения дают меньше.
Модель подогнали под данные обсерватории Пьера Оже: спектр и состав частиц. Получилось, что на самых высоких энергиях поток доминируется узкими джетами, ограниченными красным смещением z ≤ 0.36. Близость источников снижает потери частиц при распространении: они не успевают растерять энергию на взаимодействия с космическим микроволновым фоном. Состав получился на 65% из протонов и на 34% из гелия — это совпадает с наблюдениями.
Предсказанные потоки нейтрино лежат ниже текущих ограничений IceCube и Auger. Пик потока нейтрино находится в пределах порядка величины от оценки для события KM3-230213A — намёк, но не противоречие. Поток каскадного гамма-излучения насыщает верхний предел Fermi-LAT на энергиях около 1 ТэВ, но оставляет место для вклада других источников, например блазаров.
Будущие установки AugerPrime и TA×4 улучшат измерения спектра, состава и направлений прихода частиц, что позволит проверить корреляции с близкими гамма-всплесками. Детекторы нейтрино следующего поколения — IceCube-Gen2, GRAND, PUEO — либо обнаружат предсказанный поток, либо наложат более строгие ограничения. А наблюдения на LHAASO, CTA и SWGO смогут разрешить космогенную компоненту в гамма-излучении от отдельных всплесков.
Так редкие узкие лучи прожекторов, освещающие ближайшие окрестности, а не далёкие галактики, оказываются ключом к разгадке происхождения самых энергичных частиц во Вселенной.
Гамма-всплеск GRB 221009A был настолько ярким, что его назвали «самым ярким за всё время наблюдений» (BOAT — Brightest Of All Time). Его джет имел угол раскрытия всего 0.8 градуса — как если бы луч фонарика с расстояния в километр освещал монету.
Идея о том, что редкие и мощные космические взрывы могут быть источниками самых энергичных частиц, перекликается с концепцией «гамма-всплесков как оружия» из научной фантастики, например в романе «Гиперион» Дэна Симмонса, где подобные явления связываются с катастрофическими событиями.