источник космических лучей сверхвысоких энергий

Ночное небо кажется спокойным, но на самом деле оно пронизано невидимым дождём из заряженных частиц — космических лучей. Учёные давно пытаются понять, где рождаются самые энергичные из них. До недавнего времени считалось, что наша Галактика поставляет частицы вплоть до энергии около 4 ЭэВ — так называемой «лодыжки» на спектре.

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.

Ночной лес полон светлячков, но раньше мы видели только тех, кто случайно оказался в луче фонарика. Так было с ультраяркими рентгеновскими источниками — точками в других галактиках, светящими в рентгене ярче, чем может стабильно излучать чёрная дыра звёздной массы. Телескопы смотрели на галактики, выбранные для других целей, и пропускали большую часть светлячков.

В центре Млечного Пути, где сверхмассивная чёрная дыра Стрелец A* ворочает облака газа, как мельница жернова, астрономы уловили неровный пульс. Гамма-излучение — самый энергичный свет во Вселенной — доходит оттуда не ровной волной, а с изломом, будто сердце Галактики бьётся с перебоями.

В южном небе, за плотной завесой космической пыли, прячется источник гамма-лучей — самого энергичного света во Вселенной. Он светит так ярко, что его излучение пробивается даже сквозь эту завесу, но сам объект остаётся невидимым для оптических телескопов. Астрономы направили на соседние облака газа радиотелескоп ALMA и увидели узор, который выдал невидимку.

Ночное небо кажется спокойным, но на самом деле сквозь нас постоянно пролетают невидимые частицы — космические лучи. Среди них есть электроны и их античастицы — позитроны. Когда они сталкиваются с детекторами на спутниках или воздушных шарах, приборы фиксируют их энергию.

Пульсар PSR J1740+1000 — это нейтронная звезда размером с город, вращающаяся быстрее кухонного блендера. После взрыва сверхновой от неё осталось сверхплотное ядро, разгоняющее заряженные частицы до скоростей, близких к световой.

Глубоко подо льдом Южного полюса, на глубине почти два с половиной километра, работает необычный телескоп. Он направлен не в небо, а сквозь Землю. Его добыча — нейтрино, частицы-призраки, которые почти не взаимодействуют с веществом и пролетают планеты и звёзды насквозь. Но иногда нейтрино всё же врезается в молекулу льда.

Бильярдный шар щёлкает о другой в полной темноте. Звук удара и стук упавших в лузу шаров — вот и всё, что слышно. Примерно так физики изучают взаимодействия элементарных частиц при энергиях, которые ни один земной ускоритель не способен воспроизвести. В новой работе астрофизики превратили целые галактики в гигантские лаборатории, а детекторами стали кубические километры антарктического льда и воды Средиземного моря.

В центре многих галактик прячутся не только сверхмассивные чёрные дыры, но и огромные облака невидимого вещества. Если это вещество состоит из сверхлёгких частиц, оно способно собираться в плотные сгустки — своего рода «звёзды» из тёмной материи.

Долгое время астрономы искали «фабрики» самых энергичных космических лучей — частиц, несущих в себе макромир, сжатый до размеров атомного ядра. Под подозрением были колоссальные области звездообразования вроде Лебедя OB2, где сталкиваются ветры молодых гигантов. Но природа, как фокусник, спрятала сердце ускорителя в ином месте — внутри тесной двойной системы.

Где-то в глубине космоса на долю секунды вспыхивает радиомаяк — и гаснет. Такие сигналы называют быстрыми радиовсплесками. Они приходят из других галактик и длятся от микросекунд до миллисекунд. За это мгновение всплеск выбрасывает столько же энергии, сколько самые мощные взрывы на нейтронных звёздах в нашем Млечном Пути.

В созвездии Орла, на расстоянии около 40 тысяч световых лет от нас, работает один из самых мощных природных ускорителей в Галактике. Это микроквазар GRS 1915+105 — пара из обычной звезды и черной дыры. Черная дыра перетягивает на себя вещество звезды и выбрасывает его в виде двух узких струй, разогнанных почти до скорости света.

Почти полтора десятилетия назад гамма-телескоп Fermi зарегистрировал загадочные «пузыри» — гигантские сгустки плазмы, словно надутые невидимыми лёгкими, вздымающиеся на десятки тысяч световых лет от центра Галактики.

Камень падает в пруд, и по воде расходятся круги. Так и свет от далёких галактик расходится во все стороны — спокойно и размеренно. Но в центре некоторых галактик прячется не камень, а настоящая пушка: она выстреливает частицами с чудовищной силой. Астрономы называют такие объекты HSP BL Lac.

В глубине Средиземного моря, где вода давит с силой сотен атмосфер, сеть светочувствительных шаров ждала редкого гостя. И он пришёл — нейтрино, которое пронесло через толщу Земли энергию, сравнимую с ударом летящего кирпича. Только вместо кирпича — крохотная частица, почти неосязаемая, но способная рассказать о самых бурных уголках космоса. Эту частицу назвали KM3-230213A.

В самом сердце Млечного Пути что-то светится — но не звёздным светом, а невидимыми глазу гамма-лучами. Телескопы ловят этот избыток уже больше десяти лет, и астрофизики спорят: то ли виноваты быстро вращающиеся мёртвые звёзды — пульсары, то ли частицы тёмной материи сталкиваются и исчезают во вспышке.

Космические лучи — это элементарные частицы и атомные ядра, приходящие из глубин космоса и ускоренные до энергий, недостижимых в земных лабораториях. Когда такая частица врезается в атом земной атмосферы, рождается широкий атмосферный ливень — каскад вторичных частиц, который, в свою очередь, генерирует радиоволны.

Каждую секунду нас прошивают невидимые снаряды из глубин космоса. Это космические лучи — ядра атомов, разогнанные до скоростей, почти неотличимых от скорости света. Их энергия в сотни миллионов раз превышает ту, что доступна нашим самым мощным ускорителям. Откуда берётся эта чудовищная сила?

В центре многих галактик сидит сверхмассивная чёрная дыра. Когда на неё падает газ, он разогревается и светится ярче целой галактики — это активное ядро. Иногда оттуда вырывается настоящий ураган: поток ионизованного газа, который мчится со скоростью в десятки процентов от скорости света.

Обычные детекторы тёмной материи похожи на футбольного вратаря, который ждёт мощного удара, а мяч еле катится. Частицы-невидимки, заполняющие нашу Галактику, часто движутся слишком медленно, чтобы их заметили чувствительные датчики.

Нейтрино — частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом: они проходят сквозь планеты, не замечая атомов. Поэтому каждая их поимка — большая удача. Недавно подводный нейтринный телескоп KM3NeT зарегистрировал нейтрино с энергией, в миллионы раз превышающей возможности мощнейших ускорителей Земли.

Мощный прожектор светит сквозь густой туман. Самого луча не видно, но туман начинает слабо мерцать — и выдаёт присутствие прожектора. Похожий принцип работает с нейтрино: почти неуловимые частицы рождаются, когда быстрые протоны из далёких галактик врезаются в вездесущее реликтовое излучение (слабый микроволновый фон, оставшийся после…

Когда тяжёлое ядро на огромной скорости врезается в межзвёздный газ, оно разваливается на куски. Дальше эти куски — литий, бериллий, бор — летят дальше, и их количество в потоке космических лучей зависит от того, как именно шло разрушение. Обычно считалось, что с ростом энергии пропорции должны плавно меняться, как меняется вкус супа, если доливать воду.

Гамма-лучи с энергией выше ста триллионов электронвольт — как камни, брошенные с невероятной силой. Долгое время считалось, что запустить такие «камни» могут только протоны — тяжёлые частицы, разогнанные в космических ускорителях. Но новая работа показывает: иногда хватает и лёгких электронов.

В глубине созвездия Орла спрятана туманность, похожая на раздувающийся пузырь. Её надувает крошечная звезда размером с город — пульсар, который делает несколько оборотов в секунду и теряет энергию вращения. Обычно такие пузыри светятся ровно настолько, насколько силён их пульсар. Но этот пузырь, получивший имя «Ускоритель Орла», оказался ярче, чем положено.

В декабре 2024 года квазар PG 1211+143 оказался под прицелом сразу двух рентгеновских обсерваторий: спектроскопы XRISM и XMM-Newton смотрели на него одновременно. Квазар — это очень яркое ядро далёкой галактики, где сверхмассивная чёрная дыра засасывает окружающий газ.

В сердце Альп, на глубине около ста метров, расположен Большой адронный коллайдер (LHC) — крупнейший в мире ускоритель заряженных частиц. Время от времени его детекторы фиксируют внезапные, необъяснимые всплески сигналов, которые исследователи окрестили UFO (Unidentified Falling Objects — неопознанные падающие объекты).

В центре почти каждой крупной галактики прячется чёрная дыра. Когда она поглощает газ, то выбрасывает обратно мощные потоки — как дракон, который не может проглотить всю добычу и выдыхает пламя. Эти «ветры» разгоняются до тысяч километров в секунду и могут разметать запасы газа, из которого рождаются звёзды.

В центре галактики NGC 4278 сидит чёрная дыра, которая выбрасывает две струи плазмы — как гигантская пушка, стреляющая частицами в космос. Эти струи разгоняют частицы до энергий, которые не снились ни одному земному ускорителю.

Ночью по небу летят невидимые пули — космические лучи. Это ядра атомов, разогнанные до скоростей, близких к световой. Магнитные поля Галактики путают их пути, поэтому понять, где именно они родились, трудно. Главными подозреваемыми долго были остатки взорвавшихся звёзд, но для самых быстрых частиц улик не хватало. Теперь на сцену выходят чёрные дыры в паре с обычной звездой.

Двигаясь по Галактике, Солнечная система время от времени погружается в плотные межзвёздные облака — скопления разрежённого водорода и пыли.

Сразу после Большого взрыва Вселенная напоминала бурлящую газировку: всё пространство было заполнено пузырями. Это области нового, стабильного вакуума, подчиняющегося Стандартной модели, вытесняли прежнее нестабильное состояние — физики называют такой процесс фазовым переходом, подобным закипанию воды.

Космические лучи — это элементарные частицы, несущие колоссальную энергию, которые пронизывают межгалактическую пустоту. Когда две такие частицы сталкиваются лоб в лоб, плотность энергии в точке удара может оказаться достаточной, чтобы сколлапсировать в чёрную дыру размером с атомное ядро.

Ежедневно в земную атмосферу вторгаются частицы с колоссальной энергией — словно анонимные послания. Их источник долгое время оставался загадкой.

На расстоянии 8,58 мегапарсек от нас спиральная галактика M51 крутит свои рукава, а радиотелескоп VLA в самой протяжённой конфигурации смотрит на неё с разрешением 0,16×0,14 угловой секунды. Это как если бы с Земли разглядели монету на поверхности Луны.

Космические лучи — это ядра атомов, разогнанные до скоростей, близких к световой. Они прилетают на Землю со всех сторон, и по их составу можно судить о том, что творится в далёких уголках Галактики. Спутник НУКЛОН несколько лет собирал такие частицы, и теперь его данные показали странную закономерность: чем реже ядро встречается в природе, тем жёстче его спектр.

Словно гонщики на длинной дистанции, ядра атомов — от лёгкого гелия до тяжёлого железа — мчатся к нам через всю Галактику. На финише, в детекторе на высотном аэростате, видно: тяжёлые ядра приходят чуть более вымотанными, чем лёгкие. Разница небольшая, но она повторяется от запуска к запуску.

Спектр космических электронов — это как отпечатки пальцев на месте преступления. Частицы, прилетающие из глубин Галактики, несут в своих энергиях следы тех, кто их породил. Долгое время картина была смазанной: приборы с широкими энергетическими бинами, словно размытые фотографии, не давали рассмотреть детали.