Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №05 за 2007 год

Проект мегаобсерватории имени Оже появился в 1991 году. Первые результаты стали получать в начале 2004 года на уже смонтированных к тому моменту детекторах. А в нынешнем году монтаж установки завершается. В законченном виде обсерватория будет включать более полутора тысяч приемных станций и 24 телескопа. Обсерватория получила свое название в честь известного французского ученого Пьера Оже (Pierre Auger) и является самым крупным на сегодня проектом, предназначенным для изучения космических частиц с гигантскими энергиями — до 1020 электронвольт и даже больше. Чтобы представить эту величину, достаточно сказать, что кинетическая энергия молекул воздуха, которые летают вокруг нас со скоростью полкилометра в секунду, составляет всего сотую долю электронвольта. На современном ускорителе можно разогнать протоны до околосветовой скорости и столкнуть их с энергией 1012 эВ (1 ТэВ). Пока это предел. И вряд ли его значение можно будет серьезно поднять в обозримом будущем. Ускорители уже являются самыми дорогими физическими приборами, а создание более мощных агрегатов потребует и вовсе астрономических затрат.

Пьер Виктор Оже (1899—1993) — французский ядерный физик, первооткрыватель широких атмосферных ливней

Однако во Вселенной протекают процессы (пока до конца непонятые нами), которые могут разгонять частицы до 1020 эВ и даже больше. Это десятки джоулей! По меркам микромира — колоссальная величина! Не всякий опытный теннисист сумеет приложить такую энергию к пущенному им мячу — а в микромире она приложена к одной-единственной элементарной частице (для сравнения: в теннисном мяче 1025 протонов и нейтронов). Вопрос о том, как космические лучи разгоняются до столь высоких энергий, пока остается без ответа.

Ни для кого не будет сюрпризом, что тараканов на свете больше, чем слонов. В некоторых домах популяция тараканов может превосходить всю мировую популяцию слонов. Чем крупнее животное, тем реже оно размножается. Похожая ситуация имеет место быть и в мире космических лучей. Чем выше энергия, тем реже такие частицы встречаются. Наиболее экзотические из них, с энергией быстролетящего теннисного мяча, попадают на площадку в один квадратный километр всего лишь раз в сотню лет. Чтобы регистрировать хотя бы несколько десятков суперчастиц в год, нужны гигантские комплексы детекторов.

Дети галактики

Частица может сразу родиться высокоэнергичной или же набрать энергию в процессе ускорения. В астрофизике известны два основных механизма разгона частиц. Один из них реализуется, например, в пульсарах и немного похож на работу земных ускорителей. Заряженная частица движется вдоль силовой линии магнитного поля, как бусинка на проволоке, а электрическое поле, возникающее из-за вращения замагниченной нейтронной звезды, ее разгоняет. Но у этого механизма есть предел. Чем выше становится энергия частицы, тем труднее магнитному полю ее удержать. Кроме того, частица норовит избавиться от излишка энергии, излучив его в виде электромагнитных волн. Такое излучение всегда возникает при ускоренном движении заряда, в том числе при движении по окружности или вдоль искривленных линий магнитного поля. Магнитары — очень сильно замагниченные нейтронные звезды — в принципе могли бы разгонять частицы до сверхвысоких энергий, но потери энергии на излучение все портят. Двигаясь по искривленным силовым линиям магнитного поля, частица быстро высвечивает (теряет) сообщаемую ей энергию и улетает навсегда, так и не удержав всю ту энергию, которая она могла бы «вместить».

Другой механизм ускорения частиц был предложен Энрико Ферми (E. Fermi) и носит его имя. В нем частицы разгоняются в области ударных волн, многократно пересекая их фронт. При прохождении ударной волны количество вещества остается постоянным, но сразу за фронтом волны оно сжимается и должно иметь меньшую скорость — точно так же автомобили в пробке расположены плотнее и движутся медленнее, чем за ее пределами. Частица, перескочив через фронт и столкнувшись с частицами по ту сторону ударной волны, приобретет дополнительную энергию. Если вдобавок в веществе есть магнитное поле, то заряженная частица может развернуться и перескочить через ударную волну еще раз. Так, прыгая туда-сюда много раз, частица увеличивает свою энергию, как мячик между двумя быстро сближающимися стенками.

Остаток сверхновой SN 1006. В ударных волнах таких образований ускоряются галактические космические лучи

Где же найти достаточно мощные ударные волны? Во время взрывов сверхновых высвобождается гигантское количество энергии. Кроме того, такие взрывы случаются достаточно часто. В галактике типа нашей, а таких в видимой части Вселенной около ста миллиардов, подобные катаклизмы происходят раз в несколько десятков лет. После взрыва за несколько тысяч лет около 10% механической энергии расширяющегося остатка сверхновой может превратиться в энергию частиц.

Данная теория происхождения космических лучей в последнее время получила убедительные подтверждения. Помогли в этом рентгеновские наблюдения остатков сверхновых. Еще в 1995 году с помощью японского спутника ASCA удалось получить изображение остатка сверхновой 1006 года, однозначно говорящее о наличии в нем частиц с очень высокой энергией. Затем с помощью спутника Chandra этот результат был подтвержден для других остатков. Наконец, совсем недавно наземный гамма-телескоп H.E.S.S. смог четко зарегистрировать несколько остатков сверхновых в гамма-лучах очень высокой энергии, которые возникают в этих туманностях в результате «работы» ускоряемых в них космических лучей. Так что о рождении частиц с энергией примерно до 1016 эВ мы знаем уже достаточно много. Однако в остатках сверхновых частицы сверхвысоких энергий рождаться не могут. Нужны какие-то другие источники.

Тайна источников

Впервые суперчастицы обнаружили в 1960-х годах. Это были единичные примеры регистрации на разных установках (в том числе и отечественных). Причем уверенности в измеренных значениях энергии не было. Но проблема уже тогда выглядела очень серьезной. Во-первых, разогнать частицы до таких энергий очень непросто, а во-вторых, такую большую энергию частице трудно сохранить.

Все дело в реликтовом излучении, которым заполнена вся Вселенная. Взаимодействуя с его фотонами, суперчастицы должны терять энергию, расходуя ее на рождение новых частиц — пионов (пи-мезонов) или электрон-позитронных пар. Как показали в 1966 году К. Грейзен (Kenneth Greisen), Г.Т. Зацепин и В.А. Кузьмин, чем больше энергия частицы, тем интенсивнее она будет взаимодействовать с реликтовыми фотонами. Согласно их выводам, если суперчастицы рождаются очень далеко — на космологических расстояниях от Земли, — то они попросту до нас не долетят. Иначе говоря, в энергетическом спектре космических лучей на энергиях более 1019 эВ (=1 джоуль) должен наблюдаться довольно резкий спад, получивший название «ГЗК-завал» (по первым буквам фамилий предсказавших его ученых).