Китайцы открыли космические суперколлайдеры - ПЕВАТРОНЫ. Астрономия на QWERTY
Привет, Кирилл Маслеников, Пулковский астроном, ведущий научно-популярного [музыка] канала. Я опрометчиво сделал такое объявление о четырёх загадках астрономии. Ну и теперь по законам жанра я должен торжественно объявить о разгадке всех этих четырех загадок, причём желательно первым. Доктор Бес кусает свои очаровательные локти, Владимир Сурдин играет своими бицепсами многозначительно, канал КРТИ получает тысячи лайков, взлетает на вершину списка. В науке всё складывается редко таким замечательным образом, и вот уже в прошлом ролике я говорил о том, что загадка ранней Вселенной так и не решается пока.
А сегодня хочу рассказать вам о некотором продолжении второй из загадок — загадочные частицы ультра высоких энергий. Энергия в эквивалентных электронвольтах, то есть в 10 восемнадцатой высшей степени электронвольт, которые приходят неизвестно откуда и непонятно где разгоняются до таких фантастических энергий. Вот такая одна из таких частиц была зарегистрирована в прошлом году, сравнительно недавно. А вообще-то частота прихода таких частиц — это примерно одна частица на квадратный километр в 100 лет. Так вот, сразу говорю, что эта загадка осталась нерешённой. Но, как и в прошлый раз с ранней Вселенной, некоторые шаги сделаны, и я хочу рассказать о совсем недавней работе китайских астрономов.
Давайте по порядку, потому что тема длинная и требует внимательного подхода. Итак, мы знаем, что из космоса приходят к нам, кроме электромагнитного излучения, заряженные частицы. Это выяснилось ещё около 100 лет назад, когда немецкий физик Гесс, поднимаясь в воздух на аэростате, тогда это было в новинку, обнаружил, что есть ионизирующее излучение. Причём степень ионизации растёт с высотой, а не падает, как это было бы, если бы это излучение шло с земли. То есть это излучение приходило из космоса, и в двадцатых годах Роберт Милликен, американский физик, назвал его космическими лучами. Он изобрёл этот термин. Термин не очень хороший, потому что мы под лучами понимаем обычно излучение, то есть электромагнитные волны, а здесь мы имеем именно частицы. Причём мы теперь знаем, что это за частицы — это в основном протоны, это тяжёлые ядра, обломки ядер. Альфа есть довольно тяжёлые заряженные частицы.
Теперь давайте разберёмся с энергиями. Физика частиц принята измерять энергии не в джоулях, как требует система СИ, и не в гев, как недавно ещё и до сих пор, кстати, предпочитают делать астрономы, а в электронвольтах. Если помните, электронвольт — это энергия, которая необходима, чтобы на 1 В увеличить потенциал электрона. Электронвольт — это крайне маленькая частица энергии, 10 в минус девятой степени джоуль. Энергетические частицы, которые летают в космосе, их энергия измеряется в электронвольтах с большими приставками: тысячи электронвольт — это кэВ, килоэлектронвольты; миллионы — это МэВ; миллиарды — это ГэВ; триллионы — это ТэВ. Электронные электронвольты — 10 в десятой электронвольт, это уже, как видите, сравнимо с джоулем, как-то где-то близко к энергии джоуля.
Так вот, частицы, которые приходят из космоса — космические частицы — размазаны во всём этом огромном спектре энергии. Самые низкоэнергетические частицы приходят от солнца в ТэВ и ПэВ. А вот для них уже магнитного поля солнца не хватает. Это означает, что где-то в космосе есть мощнейшие ускорители таких частиц. Смотрите, большой адронный коллайдер добивает до энергии в ТэВ. А у нас из космоса идут и более высокие энергии. Значит, в космосе, где-то находятся ускорители частиц невероятной мощности. И вот для таких ускорителей придумали слово "ПэВ". Поиски этих ПэВ и составляли довольно большое поле работы астрономов, астрофизиков и специалистов по физике частиц.
Что это за источники, где, в каких именно областях частицы могут разгоняться до таких фантастических энергий, многократно во много миллионов раз превосходящих всё, на что способна земная техника? Дело в том, что если вы посмотрите на спектр космических частиц, вы увидите, что в логарифмическом масштабе это прямая линия. Это означает одну простую вещь: это непрерывный спектр, и это означает, что скорее всего у всех этих частиц есть один и тот же источник. Иначе мы бы имели склейку спектров различных наклонов. Если бы источники были разные, нам приходилось бы тогда догадываться, какие источники дают какие наклоны. Здесь наклон везде одинаковый, ну правда до определённого предела, о котором мы позже поговорим — так называемого "колена".
Так вот, до этого единый источник таких частиц. Решающий шаг в этом направлении сделал знаменитый итальянский американский физик Энрико Ферми, который в конце сороковых годов разработал механизм объяснения механизма ускорения частиц многократным столкновением с магнитными неоднородностями среды, так называемый механизм "пинбола". Как будто частицы ударяются о быстро движущиеся тяжёлые массы на магнитном веществе и каждый раз приобретают всё большую и большую энергию. Лет через пять после Ферми, Виталий Лачгинсбург, впоследствии Нобелевский лауреат, как и Ферми, уточнил этот механизм. Он сделал простую вещь. Плотность энергии космических лучей в районе Земли была известна, она была измерена, он проэкстримировал объём Галактики, и он получил значение в 10 в 53 степени электронвольт в секунду. Это мощность, которая примерно в миллион раз выше всей суммарной мощности излучения всех звёзд Галактики. Это сразу отрубило возможность того, что такие частицы могут ускоряться в каких-то более активных звёздах, чем солнце. Он же предложил идею, которая в общем-то оправдалась. Он увидел, что вот такую энергию, как он сосчитал, могут обеспечить сверхновые.
А дальше вот какая трудность: как можно проверить, действительно ли остатки сверхновых являются источниками таких энергетических частиц? Посмотреть направление прихода. Но заряженные частицы на пути своём от источника до земного телескопа очень много раз меняют своё направление движения. В любом магнитном поле такая частица изменит направление движения. Сначала не намного, но пока она дойдёт до Земли, найти исходный источник уже будет практически невозможно. Как же быть? Был найден прекрасный выход.
Дело в том, что вместе с высокоэнергетическим излучением электромагнитное, то есть гамма-лучи, а уж гамма-лучи, на них никакое магнитное поле не влияет. Они идут по прямой линии, и вот если мы сможем связать источники гамма-лучей с космическими частицами, то можно считать, что мы решим свою задачу и найдём вот эти объекты, найдём места, где ускоряются до огромных энергий космические частицы. Как же ловить гамма-лучи? Это тоже непростая задача, потому что, как всем известно, гамма-излучение атмосферы земной поглощается, но они порождают так называемые широкие атмосферные ливни. Такой гамма-квант, разбивая атом газа атмосферы, рождает пучок вторичных частиц, которые в свою очередь тоже порождают новые частицы. Короче, получается вот такая каскадная каскад частиц, которую уже можно зарегистрировать приёмниками, расположенными на поверхности Земли.
Один из самых мощных сейчас приёмников такого типа — это вот такая сложная аббревиатура, которую вы сейчас видите у себя на экране. Расшифровывается она так: Большая высокогорная обсерватория воздушных ливней. Вот такая гигантская обсерватория, самая большая сейчас на земле и самая чувствительная, построена в Китае на высоте 4500 м в Тибете. Занимает она площадь около 150 гектаров и состоит вот из чего: она состоит, во-первых, из решётки оптических телескопов, которые ловят не само гамма-излучение, а вторичное, так называемое черенковское излучение, возникающее в атмосфере под воздействием гамма-излучения. Такое излучение очень трудно поймать, оно очень слабое. Для того чтобы наблюдать, нужны очень чувствительные установки — безлунное излучение происходит на пределе чувствительности. Поэтому вдобавок к этому используется ещё и другой приёмник — это колоссального объёма ёмкости с жидкостью, вообще-то просто с водой, как гигантские бассейны. Самый большой из которых имеет ёмкость в 100000 тонн. И в них вторичные частицы порождают, регистрируются фотоэлементы, вмонтированные в стены и пол этих ёмкостей. Вот такие гигантские телескопы — гамма-телескопы, можно сказать, телескопы черенковского излучения, и регистрируют гамма-излучение, возникающее в тех же областях, что и космические частицы.
Этот телескоп недавно выпустил каталог источников высокоэнергетического гамма-излучения, и неожиданно среди этих источников оказалось довольно много вот таких туманностей, как Крови туманность. В основном эти источники содержат области, где находятся пульсары. Да, пульсары, конечно, бывают связаны с остатками световых, но далеко не всегда это только годится для тех случаев, когда сверхновая молодая, когда туманность, образовавшаяся после взрыва сверхновой, ещё не успела разлететься в разные стороны. А гамма-кванты оттуда идут откуда они берутся.
В этом-то и заключается фишка последней работы. Авторы пришли к выводу о том, что вокруг пульсаров образуется совершенно новый класс объектов — это новый класс гамма-источников. Это так называемая гамма-гало пульсаров. Ореолы свечения — гало — это светящийся ореол, излучающий гамма-лучи. Он берётся из туманности Пульсар-ветра. Это тоже совсем недавно введённое в науку понятие. Туманность Пульсар-ветра — это, собственно, вот что: пульсар излучает мощный поток заряженных частиц в разные стороны, то, что мы называем звёздным ветром. Пульсар-ветер взаимодействует с окружающей межзвёздной средой, и вот тут-то появляется такая вот светящаяся туманность, которая и порождает гамма-гало. Гамма-гало пульсаров, как выясняется, есть, в основном, те самые реликты, которые мы так долго догадывались. Именно там и возникают сверхбыстрые тераэлектронвольтные и петаэлектронвольтные частицы, которые доходят до Земли и воспринимаются там такими же установками, как китайский гамма-телескоп.
Так, давайте попробуем просуммировать, что получили китайские астрономы. Во-первых, они открыли новый класс гамма-источников и показали, что реликты рождают эти космические лучи. Это в основном не остатки сверхновых, а гамма-гало пульсаров и туманности Пульсар-ветра. Такой метод позволил найти несколько тёмных источников космических лучей, вообще без оптических компонентов. Он позволил найти несколько варов с очень высокой энергией, порядка петаэлектронвольтов. И, наконец, объяснил непонятный до сих пор избыток гамма-излучения диффузного от всей Галактики, который наблюдается в дважды выше, чем предсказано теорией. Вот эти все до сих пор непонятные вещи удалось объяснить благодаря последней работе китайских астрономов.
Но надо признать, что к нашей загадке, о которой я рассказывал в начале года, это всё имеет довольно малое отношение. Дело в том, что частицы, о которых я говорил, они ещё примерно в миллион раз более энергетические, и на спектре космических частиц они находятся на области с другим наклоном. После так называемого "колена" в спектре, где наклон спектра частиц меняется. Это означает, что у них принципиально другой и гораздо более высокоэнергетический источник. Получается, что таких источников в галактике нет, и надо искать их далеко за пределами нашей галактики. По всей видимости, это какие-то сверхвысокоэнергетические процессы типа чёрных дыр, сверхмассивные чёрные дыры или слияние нейтронных звёзд. Возможно, что именно такие процессы порождают космические лучи с такой фантастической энергией в сотни электронвольт.
Самое непонятное: энергия таких ультрах высокоэнергетических частиц за так называемым пределом Яры зацепа Кузьмина. Сверхвысокоэнергетические частицы должны рассеиваться на реликтовом излучении, на квантах реликтового излучения, и терять свою энергию. Таким образом, они не могут достигать энергии выше определённого предела. Так вот частиц, которые мы получаем иногда, находят такие в прошлом году — они лежат за пределом Яры зацепина Кузьмина. И тут уж совсем непонятно, откуда такая высокая энергия может браться. Но если ещё на два-три порядка поднять тот предел, который получили сейчас китайские астрономы, то мы уже вплотную подойдём именно к той загадочной энергии, какую имеют полученные в прошлом году частицы. Вот до какой степени пока удаётся решить — не до конца, конечно, удаётся решить загадку частиц Аматерасу, о которых я рассказывал несколько лет назад в одном из своих выпусков.
Так и происходит медленно, но неуклонно научный прогресс. Надеюсь, что через какое-то время и эту загадку удастся решить, и, может быть, мне удастся вам об этом рассказать. До свидания! Подписывайтесь и счастливо. [музыка] [смех] [музыка]