Астрофизика высоких энергий astro-ph.HE

В потоке космических лучей — частиц, летящих к нам из глубин Галактики, — титан встречается редко. Его ядра почти неотличимы от железа: оба тяжёлые, оба оставляют похожие следы в детекторах.

Высоко над ледяным щитом Антарктиды двадцать дней висел воздушный шар с детектором. Он ловил крошечные частицы, которые миллионы лет летели к нам от далёких звёздных взрывов. Теперь учёные разобрали его улов и рассказали, сколько энергии несли протоны и ядра разных элементов. Оказалось, что не все частицы одинаковы.

Высоко над Антарктидой воздушный шар поднял прибор, который ловил электроны из космоса. Эти частицы прилетают от далёких взрывов звёзд и других мощных событий. Прибор измерял их энергию — как силу удара. И вот в одном диапазоне энергий ударов оказалось больше, чем предсказывали расчёты. Первый анализ данных показал широкий горб на графике: будто в потоке частиц появилась лишняя струя.

В тихой гавани Местного пузыря — разреженной полости горячего газа вокруг Солнца — недавно прогремел взрыв. Сверхновая вспыхнула в десятках парсек от нас, и её эхо до сих пор гуляет по окрестностям, меняя картину космических лучей. Долгое время считалось, что поток частиц из Галактики однороден, как свет от множества далёких фонарей.

Воздушный шар ATIC поднялся над Антарктидой и поймал частицы, которые старше самой Земли. Среди них — ядра атомов от серы до хрома, и чем выше их энергия, тем больше их доля по сравнению с железом. Стандартная модель «дырявого ящика» предсказывала обратное: тяжёлые ядра должны были растворяться, как соль в воде. Но данные упрямо росли.

В потоке заряженных частиц, летящих к нам из глубин Галактики, железо оказалось белой вороной. Прибор ATIC-2, поднятый на воздушном шаре над Антарктидой, сравнил, как меняется с энергией доля ядер от серы до хрома относительно железа. До энергии примерно 80 ГэВ на нуклон всё шло как по учебнику: чем выше энергия, тем меньше тяжёлых ядер по сравнению с железом.

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.

Высоко над Землёй летит спутник, а внутри него — прибор размером с небольшой шкаф. Он ловит частицы, которые миллиарды лет мчались сквозь галактику и наконец врезались в детектор. Такие частицы называют космическими лучами, и они приносят вести о далёких взрывах звёзд. Прибор NUCLEON на спутнике «Ресурс-П» полгода собирал эти «письма из космоса».

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.

Космические лучи — это заряженные частицы, которые летят к нам из глубин Галактики. Если построить график: сколько частиц прилетает с каждой энергией, — линия идёт ровно, а потом вдруг резко падает. Такие перегибы называют «коленями».

Ночью над сибирской тайгой иногда вспыхивает слабый голубой свет. Это не северное сияние, а космический ливень: одна частица из далёкого космоса врезается в атмосферу и рассыпается на миллионы вторичных частиц. Они летят к земле широким фронтом, как волна от брошенного в воду камня, и заставляют воздух светиться. Установки «Тунка-133» и TAIGA-HiSCORE семь лет следили за такими вспышками.

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.

Каждую секунду сквозь каждого из нас пролетают десятки частиц из космоса. Большинство — лёгкие протоны, но попадаются и ядра атомов потяжелее: углерод, кислород, железо. Они рождаются во взрывах звёзд и летят к Земле миллионы лет. Их энергия бывает чудовищной: одна частица может нести столько же, сколько теннисный мяч на подаче.

К северу от микроквазара SS 433, в мягком рентгеновском диапазоне, проступила дуга. Слабая, размытая, но упрямо повторяющая контуры, которые уже были знакомы по радионаблюдениям. Астрономы изучили её спектр — и увидели газ, нагретый до одиннадцати миллионов кельвинов. Газ, который не мог нагреться ни джетами, ни ветром аккреционного диска.

Светлячок вспыхивает на одну десятимиллиардную долю секунды где-то над сибирской тайгой. Увидеть такое невозможно, но установка TAIGA-HiSCORE, разбросанная по долине в Тункинском районе Бурятии, пыталась поймать именно такие вспышки — только не от насекомых, а из глубин космоса. Обычно эта система из множества светочувствительных детекторов ловит частицы космических лучей, которые врезаются в атмосферу Земли.

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.

Ночь 4 марта 2024 года. Радиотелескоп MeerKAT в ЮАР ловит миллисекундный импульс — быстрый радиовсплеск, пришедший из глубины в 17.4 гигапарсека. Это свет, который шёл до Земли 10.5 миллиардов лет. В тот момент Вселенной было всего три миллиарда лет — юность, когда галактики рождали звёзды с бешеной скоростью.

В центре остатка сверхновой SN 1987A, в 168 000 световых лет от Земли, спрятан объект, который астрономы ищут уже 37 лет. Это ближайшая сверхновая, взорвавшаяся на глазах у современных телескопов, и единственная, где компактный остаток до сих пор не удалось увидеть напрямую.

Радиотелескоп ловит сигнал длительностью в несколько миллисекунд — и за это мгновение выделяется энергия, сравнимая с той, что Солнце излучает за дни. Это быстрый радиовсплеск, миллисекундный радиоимпульс из далёкой галактики. С момента открытия в 2007 году астрофизики спорят, что его порождает.

В 2017 году детекторы LIGO и Virgo поймали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд. Вспыхнула килоновая — яркий космический взрыв, в котором, как считалось, рождаются самые тяжёлые элементы таблицы Менделеева. Золото в кольцах, платина в катализаторах, европий в экранах смартфонов — всё это, по красивой легенде, прилетело к нам из таких катастроф.

9 октября 2022 года космос устроил представление, какого астрономы не видели за всю историю наблюдений. Гамма-всплеск GRB 221009A — мощнейший космический взрыв, дающий вспышку гамма-излучения, — ослепил детекторы на орбите и на Земле. Его назвали «самым ярким за всё время».

В апреле 2023 года детекторы LIGO, Virgo и KAGRA поймали гравитационную волну от слияния двух чёрных дыр. Массы — 137 и 103 солнечных — сделали событие GW231123 самым массивным в истории наблюдений. Обе дыры попали в «провал парной нестабильности» — диапазон, где обычная звёздная эволюция не должна оставлять чёрных дыр.

В лабораториях на Земле конденсат Бозе — Эйнштейна получают, охлаждая облако атомов до миллиардных долей кельвина. Атомы теряют индивидуальность и сливаются в одну квантовую волну, которая ведёт себя как единое целое. Но в космосе такие условия не нужны: гравитация сама создаёт глубокие колодцы, где вещество сжимается и остывает до состояния квантового тумана.

23 ноября 2023 года детекторы LIGO, Virgo и KAGRA поймали гравитационную волну от слияния двух чёрных дыр массами 137 и 103 массы Солнца. Обе попали в щель парной нестабильности — диапазон от 69 до 139 солнечных масс, где обычная эволюция звёзд не оставляет после себя ничего, кроме разлетающегося газа.

Телескоп горизонта событий смотрит на M87* и видит не просто кольцо света вокруг тёмного провала. Этот свет закручен, как штопор. Волновой фронт несёт винтовую структуру, которую физики называют орбитальным угловым моментом.

Кора магнетара трескается за миллисекунды. Глубинный сдвиг рождает сейсмические волны, которые бегут по поверхности и встряхивают магнитное поле. Это звездотрясение — как землетрясение, только на нейтронной звезде с полем в квадриллион раз сильнее земного. До сих пор модели возмущений были грубыми: одиночный поворот поверхности или идеализированный импульс.

Чёрная дыра в общей теории относительности долго слыла идеальным зеркалом: какие бы поля на неё ни падали, она не деформировалась. Приливные числа Лява, мера деформации тела под действием внешнего приливного поля, для скалярных, электромагнитных и гравитационных возмущений оказывались равными нулю. Это казалось железным правилом, пока не пришли фермионы.

Ветер, дующий против вращения планеты, раздувает углеродную кузницу. Так выглядит атмосфера объекта PSR J2322-2650b — юпитероподобного компаньона миллисекундного пульсара. Два ноябрьских вечера 2024 года космический телескоп «Джеймс Уэбб» следил за этой системой, снимая спектр в диапазоне от 0,6 до 5,3 микрометра.

В зале суда не всегда есть видеозапись преступления. Иногда приговор выносят по показаниям свидетелей: что было до, что стало после. Именно так физики поступили с сигналом GW250114, зафиксированным 14 января 2025 года.

Две чёрные дыры кружатся в тесном танце, и вокруг них рождается нечто удивительное — гравитационная молекула. Облако ультралёгких бозонов, частиц с массой меньше электронвольта, обволакивает пару, как электронное облако в ионе H2+. Только роль ядер играют чёрные дыры, а роль электрона — поле, размазанное на десятки километров.

На расстоянии около 25 000 световых лет от Земли, в созвездии Стрельца, вокруг нейтронной звезды GX 13+1 закручена плотная завеса. Она рассеивает рентгеновские фотоны, как туман рассеивает свет уличного фонаря, и долгое время прятала от астрономов истинную мощь источника.

9 октября 2022 года земные детекторы зафиксировали гамма-всплеск невиданной силы. GRB 221009A оказался настолько ярким, что его излучение ионизировало верхние слои ионосферы, а спутниковые приборы временно ослепли.

В 1181 году китайские и японские астрономы записали появление «звезды-гостьи» — яркого светила, которое полгода сияло в созвездии Кассиопеи, а затем исчезло. Сегодня на этом месте находится Pa 30: туманность с горячим центральным источником, выбрасывающим вещество со скоростью 16 000 км/с.

Гамма-всплеск 230307A вспыхнул на небе как удар грома: за секунды он выбросил больше энергии, чем Солнце за миллиарды лет. Три детектора — GECAM-B, GECAM-C и Fermi/GBM — смотрели в этот момент в нужную сторону. Среди хаоса гамма-фотонов один прибор на 160 миллисекунд зафиксировал ритм: 909 ударов в секунду. Этот ритм не был шумом.

В ядре далёкой галактики SDSS J1335+0728, в 2,5 миллиардах световых лет от Земли, сверхмассивная чёрная дыра отбивает ритм. Каждые несколько дней она вспыхивает в рентгеновском диапазоне, как космический метроном, но в 2025 году этот метроном внезапно сменил темп с аллегро на анданте.

В 2017 году гравитационные детекторы LIGO и Virgo поймали рябь пространства-времени от слияния двух чёрных дыр в 540 мегапарсеках от нас. Событие получило имя GW170814. Но что осталось после этого космического столкновения? Кроме искажённого пространства, возможно, родились крошечные чёрные дыры — «крошки».

Столкновение двух нейтронных звёзд — это удар, который слышно на всю Вселенную. Детекторы гравитационных волн улавливают рябь пространства-времени, но самый интересный звук начинается после удара: остаток слияния, стремительно вращающаяся гипермассивная нейтронная звезда, продолжает дрожать, излучая волны ещё несколько…

В 1936 году два физика, Вернер Гейзенберг и Ганс Эйлер, сидя над уравнениями квантовой электродинамики, обнаружили нечто странное. В достаточно сильном магнитном поле вакуум должен перестать быть пустым. Он должен стать похожим на кристалл: свет одной поляризации пойдёт в нём чуть быстрее, свет другой — чуть медленнее. Это явление назвали вакуумным двулучепреломлением.

Чёрная дыра — не просто мусорный бак Вселенной, а скорее сейф с секретным кодом. Десятилетиями считалось, что любой сигнал, посланный к горизонту событий, частично отражается обратно: искривлённое пространство-время работает как кривое зеркало, и часть энергии всегда уходит назад.

Семь часов подряд космический гамма-телескоп регистрировал вспышки, которые не желали заканчиваться. Так началась история GRB 250702B — самого длинного гамма-всплеска в истории наблюдений. Обычные всплески длятся секунды, реже — минуты. Этот растянулся на 25 000 секунд, вдвое побив предыдущий рекорд.