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
- AGASA – Гигантский воздушный душ Akeno в Японии
- Антарктическая импульсная переходная антенна сверхвысоких энергий, (ANITA) обнаруживает космические нейтрино предположительно вызванные частицами космических лучей сверхвысоких энергий.
- Космическая обсерватория Экстремальной Вселенной
- GRAPES-3 (3-е учреждение Gamma Ray Astronomy PeV EnergieS) - это проект по изучению космических лучей с использованием решетки детекторов воздушного дождя и мюонных детекторов большой площади в Ути на юге Индии.
- Детектор космических лучей высокого разрешения Fly's Eye (HiRes)
- МАРИАЧИ – Смешанная установка для радиолокационного исследования космических лучей высокой ионизации, расположенная на Лонг-Айленде, США.
- Обсерватория Пьера Оже
- Проект массива телескопов
- Якутск Обширная система воздушного душа
- Тункинский эксперимент
- Проект COSMICi в Университете A&M Флориды разрабатывает технологию для распределенной сети недорогих детекторов для душа UHECR в сотрудничестве с MARIACHI .
- Чрезвычайно распределенная обсерватория космических лучей (CREDO)
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:
- радиодоли мощных радиогалактик
- межгалактические толчки, возникшие в эпоху формирования галактик
- гиперновые [19]
- релятивистские сверхновые [20]
- гамма-всплески [21] [22]
- продукты распада сверхмассивных частиц от топологических дефектов , оставшихся от фазовых переходов в ранней Вселенной
- частицы, испытывающие эффект Пенроуза .
- Преоновые звезды [23]
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 ]
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ↑ 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 .
- ^ 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 .
- ↑ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ Баэз, JC (июль 2012 г.). «Открытые вопросы физики» . ДЭЗИ . Проверено 21 июля 2014 г.
- ^ «Исследование подтверждает, что космические лучи имеют внегалактическое происхождение» . ЭврекАлерт! . 21 сентября 2017 года . Проверено 22 сентября 2017 г.
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 ]
- Эльберт, JW; Соммерс, П. (1995). «В поисках источника космических лучей Fly's Eye с энергией 320 ЭэВ». Астрофизический журнал . 441 (1): 151–161. arXiv : astro-ph/9410069 . Бибкод : 1995ApJ...441..151E . дои : 10.1086/175345 . S2CID 15510276 .
- Клэй, Р.; Доусон, Б. (1997). Космические пули: частицы высоких энергий в астрофизике . Книги Персея . ISBN 978-0-7382-0139-9 .
- Сейфе, К. (2000). «Глаз Мухи обнаруживает максимумы в гибели космических лучей». Наука . 288 (5469): 1147–1149. дои : 10.1126/science.288.5469.1147a . ПМИД 10841723 . S2CID 117341691 .
- 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 .
Внешние ссылки [ править ]
- Самая высокоэнергетическая когда-либо зарегистрированная частица Подробности события с официального сайта детектора Fly's Eye.
- анализ Джона Уокера Живой событий 1991 года , опубликованный в 1994 году.
- Точное происхождение энергетических космических частиц , Марк Пеплоу для [электронная почта защищена] , опубликовано 13 января 2005 года.