Jump to content

Космические лучи сверхвысокой энергии

В физике астрочастиц космические лучи сверхвысокой энергии ( UHECR ) — это космические лучи с энергией более 1 ЭэВ (10 18 электронвольты , примерно 0,16 джоулей ), [1] намного превосходит как массу покоя , так и энергии, типичные для других частиц космических лучей.

Эти частицы чрезвычайно редки; В период с 2004 по 2007 год первые запуски обсерватории Пьера Оже (PAO) обнаружили 27 событий с предполагаемой энергией прибытия выше 5,7 × 10. 19 эВ , то есть примерно одно такое событие каждые четыре недели на 3000 км. 2 территория, обследуемая обсерваторией. [2]

Космические лучи экстремальных энергий (EECR) — это UHECR с энергией, превышающей 5 × 10 19 эВ (около 8 джоулей , или энергия протона, движущегося со скоростью ≈ 99,999 999 999 999 999 999 98 % скорости света), так называемый предел Грейзена–Зацепина–Кузьмина (предел ГЗК). Этим пределом должна быть максимальная энергия протонов космических лучей, преодолевших большие расстояния (около 160 миллионов световых лет), поскольку протоны с более высокой энергией потеряли бы энергию на этом расстоянии из-за рассеяния на фотонах космического микроволнового фона (CMB). Отсюда следует, что EECR не могли быть пережитками ранней Вселенной , а были космологически «молодыми», испущенными где-то в Местном сверхскоплении каким-то неизвестным физическим процессом.

Если EECR — это не протон, а ядро ​​с А- нуклонами, то предел ГЗК распространяется на его нуклоны, несущие лишь долю 1 / А полной энергии ядра. Есть свидетельства того, что эти космические лучи с самой высокой энергией могут быть ядрами железа , а не протонами, которые составляют большинство космических лучей. [3] Для ядра железа соответствующий предел составит 2,8 × 10 21 эВ . Однако процессы ядерной физики приводят к ограничениям для ядер железа, аналогичным ограничениям для протонов. Другие многочисленные ядра должны иметь еще более низкие пределы.

Гипотетические источники EECR известны как зеватроны , названные по аналогии с Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и беватроном тэватроном и Фермилабы . , следовательно, способные ускорять частицы до 1 ЗэВ (10 ЗэВ) 21 эВ, зетта-электронвольт). В 2004 году рассматривалась возможность того, что галактические джеты действуют как зеватроны за счет диффузионного ускорения частиц, вызванного ударными волнами внутри джетов. В частности, модели предполагали, что ударные волны от близлежащего M87 галактического джета могут ускорить ядро ​​железа до диапазона ЗэВ. [4] В 2007 году обсерватория Пьера Оже наблюдала корреляцию EECR с внегалактическими сверхмассивными черными дырами в центрах близлежащих галактик, называемыми активными галактическими ядрами (AGN) . [5] Однако сила корреляции становилась слабее по мере продолжения наблюдений. Чрезвычайно высокие энергии можно объяснить также центробежным механизмом ускорения. [6] в магнитосферах АЯГ , хотя новые результаты показывают, что менее 40% этих космических лучей, по-видимому, исходят от АЯГ, что является гораздо более слабой корреляцией, чем сообщалось ранее. [3] Более умозрительное предположение Гриба и Павлова (2007, 2008) предполагает распад сверхтяжелой темной материи посредством процесса Пенроуза .

История наблюдений [ править ]

Первое наблюдение частицы космических лучей с энергией, превышающей 1,0 × 10 20 эВ (16 Дж) был получен Джоном Линсли и Ливио Скарси в ходе эксперимента на ранчо Вулкан в Нью-Мексико в 1962 году. [7] [8]

С тех пор наблюдались частицы космических лучей с еще более высокими энергиями. Среди них была частица «О-Мой-Боже», наблюдаемая в ходе эксперимента «Глаз мухи» Университета штата Юта вечером 15 октября 1991 года над испытательным полигоном Дагвей , штат Юта. Его наблюдение стало шоком для астрофизиков , которые оценили его энергию примерно в 3,2 × 10 20 эВ (50 Дж) [9] — другими словами, атомное ядро ​​с кинетической энергией, равной энергии бейсбольного мяча (5 унций или 142 грамма), движущегося со скоростью около 100 километров в час (60 миль в час).

Энергия этой частицы примерно в 40 миллионов раз превышает энергию протонов самой высокой энергии, которые были произведены на любом земном ускорителе частиц . Однако лишь небольшая часть этой энергии будет доступна для взаимодействия с протоном или нейтроном на Земле, при этом большая часть энергии останется в виде кинетической энергии продуктов взаимодействия (см. «Коллайдер § Объяснение »). Эффективная энергия, доступная для такого столкновения, равна квадратному корню из двойного произведения энергии частицы и массовой энергии протона, что для этой частицы дает 7,5 × 10. 14 эВ , что примерно в 50 раз превышает энергию столкновения Большого адронного коллайдера .

С момента первого наблюдения, проведенного Университета Юты , детектором космических лучей Fly's Eye было зарегистрировано как минимум пятнадцать подобных событий, подтверждающих это явление. Эти частицы космических лучей очень высокой энергии встречаются очень редко; энергия большинства частиц космических лучей составляет от 10 МэВ до 10 ГэВ.

лучей сверхвысоких энергий космических Обсерватории

Обсерватория Пьера Оже [ править ]

Обсерватория Пьера Оже — международная обсерватория космических лучей, предназначенная для обнаружения частиц космических лучей сверхвысоких энергий (с энергией более 10 20 эВ). Предполагаемая скорость прибытия этих частиц высокой энергии составляет всего 1 на квадратный километр в столетие, поэтому для регистрации большого количества этих событий Оже-обсерватория создала зону обнаружения площадью 3000 км. 2 (размером с Род-Айленд ) в провинции Мендоса , западная Аргентина . Обсерватория Пьера Оже, помимо получения информации о направлении из группы резервуаров с водой, используемых для наблюдения за компонентами потока космических лучей, также располагает четырьмя телескопами, направленными на ночное небо для наблюдения флуоресценции молекул азота , когда частицы потока пересекают небе, что дает дополнительную информацию о направлении исходной частицы космических лучей.

В сентябре 2017 года данные 12-летних наблюдений ПАО подтвердили существование внегалактического источника (за пределами земной галактики) происхождения космических лучей чрезвычайно высокой энергии. [10]

Предлагаемые объяснения [ править ]

Нейтронные звезды [ править ]

Одним из предполагаемых источников частиц UHECR является их происхождение от нейтронных звезд . В молодых нейтронных звездах с периодами вращения <10 мс магнитогидродинамические (МГД) силы квазинейтральной жидкости сверхпроводящих протонов и электронов, существующей в нейтронной сверхтекучести , ускоряют ядра железа до скоростей UHECR. Нейтронная сверхтекучесть в быстро вращающихся звездах создает магнитное поле силой 10 8 до 10 11 тесла, после чего нейтронная звезда классифицируется как магнетар . Это магнитное поле является самым сильным стабильным полем в наблюдаемой Вселенной и создает релятивистский МГД-ветер, который, как полагают, ускоряет ядра железа, оставшиеся от сверхновой, до необходимой энергии.

Другой предполагаемый источник UHECR от нейтронных звезд - это процесс сгорания нейтронной звезды в странную звезду . Эта гипотеза основана на предположении, что странная материя — это основное состояние материи, для подтверждения которого нет экспериментальных или наблюдательных данных. Из-за огромного гравитационного давления нейтронной звезды считается, что небольшие карманы материи, состоящие из верхних , нижних и странных кварков, находящихся в равновесии, действуют как один адрон (в отличие от множества кварков).
С 0
барионы
). Затем вся звезда сожжется до странной материи, после чего нейтронная звезда станет странной звездой, и ее магнитное поле разрушается, что происходит потому, что протоны и нейтроны в квазинейтральной жидкости превратились в страйгллеты . Этот пробой магнитного поля высвобождает электромагнитные волны большой амплитуды (LAEMW). LAEMW ускоряют остатки легких ионов сверхновой до энергий UHECR.

космических лучей сверхвысокой энергии « Электроны » (определяемые как электроны с энергией ≥10 14 эВ ) может быть объяснено Центробежным ускорения в магнитосферах Крабоподобных механизмом Пульсаров . [11] Возможность ускорения электронов до этого энергетического масштаба в магнитосфере Крабовидного пульсара подтверждается наблюдением в 2019 году гамма-лучей сверхвысокой энергии, исходящих от Крабовидной туманности , молодого пульсара с периодом вращения 33 мс. [12]

Активные ядра галактик [ править ]

Взаимодействие с смещенным в синий цвет, космическим микроволновым фоновым излучением, ограничивает расстояние, на которое эти частицы могут пройти, прежде чем потерять энергию; это известно как предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина или предел ГЗК.

Источник частиц столь высоких энергий долгие годы оставался загадкой. Недавние результаты обсерватории Пьера Оже показывают, что направления прибытия космических лучей сверхвысокой энергии, по-видимому, коррелируют с внегалактическими сверхмассивными черными дырами в центрах близлежащих галактик, называемыми активными галактическими ядрами (AGN) . [5] Однако, поскольку используемый масштаб угловой корреляции достаточно велик (3,1°), эти результаты не позволяют однозначно определить происхождение таких частиц космических лучей. АЯГ может быть просто тесно связано с реальными источниками, например, в галактиках или других астрофизических объектах, которые сгруппированы с материей в больших масштабах в пределах 100 мегапарсек . [ нужна ссылка ]

Известно, что некоторые сверхмассивные черные дыры в АЯГ вращаются, как, например, сейфертовская галактика MCG 6-30-15. [13] с изменчивостью во времени их внутренних аккреционных дисков. [14] Вращение черной дыры является потенциально эффективным агентом для стимулирования производства UHECR. [15] при условии, что ионы запускаются соответствующим образом, чтобы обойти ограничивающие факторы глубоко внутри ядра галактики, особенно кривизну излучения. [16] и неупругое рассеяние с излучением внутреннего диска. Прерывистые сейфертовские галактики с низкой светимостью могут удовлетворить этим требованиям за счет формирования линейного ускорителя на расстоянии нескольких световых лет от ядра, но в пределах своих протяженных ионных торов, УФ-излучение которых обеспечивает поставку ионных примесей. [17] Соответствующие электрические поля малы, порядка 10 В/см, поэтому наблюдаемые UHECR указывают на астрономические размеры источника. Улучшенная статистика обсерватории Пьера Оже будет способствовать выявлению предполагаемой в настоящее время связи UHECR (из Местной Вселенной) с сейфертовскими и LINER-объектами . [18]

частиц источники возможные Другие

Другими возможными источниками UHECR являются:

с материей темной Связь

Предполагается, что активные ядра галактик способны превращать темную материю в протоны высокой энергии. Юрий Павлов и Андрей Гриб из Лаборатории теоретической физики Александра Фридмана в Санкт-Петербурге выдвигают гипотезу, что частицы темной материи примерно в 15 раз тяжелее протонов и что они могут распадаться на пары более тяжелых виртуальных частиц того типа, который взаимодействует с обычной материей. [24] Вблизи активного ядра галактики одна из этих частиц может упасть в черную дыру, а другая ускользнуть, как это описано в процессе Пенроуза . Некоторые из этих частиц будут сталкиваться с приближающимися частицами; это столкновения очень высоких энергий, которые, по мнению Павлова, могут образовывать обычные видимые протоны с очень высокой энергией. Затем Павлов утверждает, что свидетельством таких процессов являются частицы космических лучей сверхвысокой энергии. [25]

См. также [ править ]

  • Внегалактические космические лучи - частицы очень высокой энергии, которые попадают в Солнечную систему из-за пределов галактики Млечный Путь.
  • Ионы HZE – высокоэнергетические тяжелые ионы космического происхождения.
  • Солнечные энергетические частицы - частицы высокой энергии от Солнца.
  • Частица Oh-My-God - космические лучи сверхвысокой энергии, обнаруженные в 1991 году.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Алвес Батиста, Рафаэль; Бито, Джонатан; Бустаманте, Маурисио; Долаг, Клаус; Энгель, Ральф; Фанг, Кэ; Камперт, Карл-Хайнц; Костунин Дмитрий; Мостафа, Мигель; Мурасе, Кохта; Ойконому, Фотейни; Олинто, Анджела В.; Панасюк Михаил Игоревич; Зигль, Гюнтер; Тейлор, Эндрю М.; Унгер, Майкл (2019). «Открытые вопросы исследования космических лучей при сверхвысоких энергиях» . Границы астрономии и космических наук . 6 : 23.arXiv : 1903.06714 . Бибкод : 2019ФрАСС...6...23Б . дои : 10.3389/fspas.2019.00023 .
  2. ^ Уотсон, LJ; Мортлок, диджей; Яффе, АХ (2011). «Байесовский анализ 27 космических лучей с самой высокой энергией, обнаруженных обсерваторией Пьера Оже». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 418 (1): 206–213. arXiv : 1010.0911 . Бибкод : 2011MNRAS.418..206W . дои : 10.1111/j.1365-2966.2011.19476.x . S2CID   119068104 .
  3. Перейти обратно: Перейти обратно: а б Хэнд, Э. (22 февраля 2010 г.). «Теория космических лучей разваливается» . Природа . 463 (7284): 1011. дои : 10.1038/4631011a . ПМИД   20182484 .
  4. ^ Хонда, М.; Хонда, Ю.С. (2004). «Нитевидные струи как космический луч «Зеватрон» ». Письма астрофизического журнала . 617 (1): L37–L40. arXiv : astro-ph/0411101 . Бибкод : 2004ApJ...617L..37H . дои : 10.1086/427067 . S2CID   11338689 .
  5. Перейти обратно: Перейти обратно: а б Коллаборация Пьера Оже ; Абреу; Орел; Агирре; Аллард; Все углы; Аллен; Эллисон; Альварес; Альварес-Мунис; Амвросий; Анкордоки; Андринга; Анзалоне; Я знаю; Аргиро; Арисака; Арменгауд; Арнеодо; лучники; Пепел; Асори; Ассис; Мы вернемся; Облин; Авеню; Авила; Покровитель; Баданьяни; и др. (2007). «Корреляция космических лучей высочайшей энергии с близлежащими внегалактическими объектами». Наука . 318 (5852): 938–943. arXiv : 0711.2256 . Бибкод : 2007Sci...318..938P . дои : 10.1126/science.1151124 . ПМИД   17991855 . S2CID   118376969 .
  6. ^ Османов З.; Махаджан, С.; Мачабели, Г.; Чхеидзе, Н. (2014). «Чрезвычайно эффективный Зеватрон во вращающихся магнитосферах АЯГ». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 445 (4): 4155–4160. arXiv : 1404.3176 . Бибкод : 2014MNRAS.445.4155O . дои : 10.1093/mnras/stu2042 . S2CID   119195822 .
  7. ^ Линсли, Дж. (1963). «Доказательства существования первичной частицы космических лучей с энергией 10 20 эВ». Physical Review Letters . 10 (4): 146–148. Бибкод : 1963PhRvL..10..146L . doi : 10.1103/PhysRevLett.10.146 .
  8. ^ Сакар, С. (1 сентября 2002 г.). «Может ли быть близок конец космическим лучам сверхвысоких энергий?» . Мир физики . стр. 23–24 . Проверено 21 июля 2014 г.
  9. ^ Баэз, JC (июль 2012 г.). «Открытые вопросы физики» . ДЭЗИ . Проверено 21 июля 2014 г.
  10. ^ «Исследование подтверждает, что космические лучи имеют внегалактическое происхождение» . ЭврекАлерт! . 21 сентября 2017 года . Проверено 22 сентября 2017 г.
  11. ^ Махаджан, Сводеш; Мачабели, Джордж; Османов, Заза; Чхеидзе, Нино (2013). «Электроны сверхвысокой энергии, питаемые вращением пульсара» . Научные отчеты . 3 (1). Спрингер: 1262. arXiv : 1303.2093 . Бибкод : 2013NatSR...3E1262M . дои : 10.1038/srep01262 . ISSN   2045-2322 . ПМК   3569628 . ПМИД   23405276 .
  12. ^ Аменомори, М. (13 июня 2019 г.). «Первое обнаружение фотонов с энергией выше 100 ТэВ от астрофизического источника» . Физ. Преподобный Летт . 123 (5): 051101. arXiv : 1906.05521 . Бибкод : 2019PhRvL.123e1101A . doi : 10.1103/PhysRevLett.123.051101 . ПМИД   31491288 . S2CID   189762075 . Проверено 8 июля 2019 г.
  13. ^ Танака, Ю.; и др. (1995). «Гравитационно-красное смещение излучения, предполагающее наличие аккреционного диска и массивной черной дыры в активной галактике MCG-6-30-15». Природа . 375 (6533): 659–661. Бибкод : 1995Natur.375..659T . дои : 10.1038/375659a0 . S2CID   4348405 .
  14. ^ Ивасава, К.; и др. (1996). «Переменная линия эмиссии железа К в МЦГ-6-30-15». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 282 (3): 1038–1048. arXiv : astro-ph/9606103 . Бибкод : 1996MNRAS.282.1038I . дои : 10.1093/mnras/282.3.1038 .
  15. ^ Болдт, Э.; Гош, П. (1999). «Космические лучи от остатков квазаров?». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 307 (3): 491–494. arXiv : astro-ph/9902342 . Бибкод : 1999MNRAS.307..491B . дои : 10.1046/j.1365-8711.1999.02600.x . S2CID   14628933 .
  16. ^ Левинсон, А. (2000). «Ускорение частиц и кривизна ТэВ-излучения вращающимися сверхмассивными черными дырами». Письма о физических отзывах . 85 (5): 912–915. Бибкод : 2000PhRvL..85..912L . doi : 10.1103/PhysRevLett.85.912 . ПМИД   10991437 .
  17. ^ ван Путтен, MHPM; Гупта, AC (2009). «Нетепловые переходные источники из вращающихся черных дыр». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 394 (4): 2238–2246. arXiv : 0901.1674 . Бибкод : 2009MNRAS.394.2238V . дои : 10.1111/j.1365-2966.2009.14492.x . S2CID   3036558 .
  18. ^ Москаленко И.В.; Ставарц, Л.; Портер, штат Калифорния; Чунг, К.-К. (2009). «О возможной ассоциации космических лучей сверхвысоких энергий с близлежащими активными галактиками». Астрофизический журнал . 63 (2): 1261–1267. arXiv : 0805.1260 . Бибкод : 2009ApJ...693.1261M . дои : 10.1088/0004-637X/693/2/1261 . S2CID   9378800 .
  19. ^ Ван, X.-Y.; Раззак, С.; Месарош, П.; Дай, З.-Г. (2007). «Высокоэнергетические космические лучи и нейтрино полурелятивистских гиперновых». Физический обзор D . 76 (8): 083009. arXiv : 0705.0027 . Бибкод : 2007PhRvD..76h3009W . дои : 10.1103/PhysRevD.76.083009 . S2CID   119626781 .
  20. ^ Чакраборти, С.; Рэй, А.; Содерберг, AM ; Леб, А.; Чандра, П. (2011). «Ускорение космических лучей сверхвысокой энергии в релятивистских сверхновых с приводом от двигателя». Природные коммуникации . 2 : 175. arXiv : 1012.0850 . Бибкод : 2011NatCo...2..175C . дои : 10.1038/ncomms1178 . ПМИД   21285953 . S2CID   12490883 .
  21. ^ Ваксман, Э. (1995). «Космологические гамма-всплески и космические лучи высочайшей энергии». Письма о физических отзывах . 75 (3): 386–389. arXiv : astro-ph/9505082 . Бибкод : 1995PhRvL..75..386W . дои : 10.1103/PhysRevLett.75.386 . ПМИД   10060008 . S2CID   9827099 .
  22. ^ Милгром, М.; Усов, В. (1995). «Возможная связь событий космических лучей сверхвысоких энергий с сильными гамма-всплесками». Письма астрофизического журнала . 449 : Л37. arXiv : astro-ph/9505009 . Бибкод : 1995ApJ...449L..37M . дои : 10.1086/309633 . S2CID   118923079 .
  23. ^ Ханссон, Дж; Сандин, Ф (2005). «Преоновые звезды: новый класс космических компактных объектов». Буквы по физике Б. 616 (1–2): 1–7. arXiv : astro-ph/0410417 . Бибкод : 2005PhLB..616....1H . дои : 10.1016/j.physletb.2005.04.034 . S2CID   119063004 .
  24. ^ Гриб А.А.; Павлов, Ю. В. (2009). «Активные ядра галактик и трансформация темной материи в видимую материю». Гравитация и космология . 15 (1): 44–48. arXiv : 0810.1724 . Бибкод : 2009ГрКо...15...44Г . дои : 10.1134/S0202289309010125 . S2CID   13867079 .
  25. ^ Гриб А.А.; Павлов, Ю. В. (2008). «Превращают ли активные ядра галактик темную материю в видимые частицы?». Буквы по современной физике А. 23 (16): 1151–1159. arXiv : 0712.2667 . Бибкод : 2008МПЛА...23.1151Г . дои : 10.1142/S0217732308027072 . S2CID   14457527 .

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 250c156fd8fccdcd10331987b4cff63e__1701898440
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/25/3e/250c156fd8fccdcd10331987b4cff63e.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Ultra-high-energy cosmic ray - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)