Войти
In физика астрономических частиц, космический луч сверхвысокой энергии (UHECR ) - это космический луч с энергией более 1 ЭэВ (10 электронвольт, примерно 0,16 джоулей ), что намного превышает как массу покоя, так и энергии, типичные для других частиц космических лучей.
космический луч с экстремальной энергией (EECR ) - это КЛЛВЭ с энергией, превышающей 5 × 10 эВ (около 8 джоулей ), так называемый предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина (предел ГЗК). Этот предел должен быть максимальной энергией протонов космических лучей, которые прошли большие расстояния (около 160 миллионов световых лет), поскольку протоны с более высокими энергиями теряли бы энергию на этом расстоянии из-за рассеяния на фотонах в космическом микроволновом фоне (CMB). Отсюда следует, что EECR не могли быть выжившими из ранней вселенной, но космологически «молоды», излучаемые где-то в Местном сверхскоплении каким-то неизвестным физическим процессом. Если EECR - это не протон, а ядро с нуклонами A, то предел GZK применяется к его нуклонам, которые несут только долю 1 / A от полной энергии ядра. Для ядра железа соответствующий предел будет 2,8 · 10 эВ. Однако процессы ядерной физики приводят к ограничениям для ядер железа, аналогичным пределам для протонов. Другие распространенные ядра имеют еще более низкие пределы.
Эти частицы встречаются крайне редко; в период с 2004 по 2007 год первые запуски обсерватории Пьера Оже (PAO) обнаружили 27 событий с расчетной энергией прихода выше 5,7 × 10 эВ, то есть примерно одно такое событие каждые четыре недели в районе 3000 км. обсерватории.
Есть свидетельства того, что эти космические лучи с наивысшей энергией могут быть ядрами железа, а не протонами, составляющими большинство космических лучей.
постулируемые (гипотетические) источники EECR известны как зеватроны, названные по аналогии с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли, Беватрон и Фермилаб. s Tevatron, и, следовательно, способный ускорять частицы до 1 ZeV (10 эВ, дзетта-электронвольт). В 2004 г. рассматривалась возможность галактических джетов, действующих как зеватроны, из-за диффузионного ускорения частиц, вызванного ударными волнами внутри джетов. В частности, модели предполагали, что ударные волны от ближайшего M87 галактического джета могут разогнать ядро железа до ZeV-диапазона. В 2007 году обсерватория Пьера Оже наблюдала корреляцию EECR с внегалактическими сверхмассивными черными дырами в центре ближайших галактик, названных активными ядрами галактик (AGN). Однако по мере продолжения наблюдений сила корреляции стала слабее. Чрезвычайно высокие энергии могут быть объяснены также центробежным механизмом ускорения в магнитосферах AGN, хотя более новые результаты показывают, что менее 40% этих космических лучей, по-видимому, исходят от AGN, гораздо более слабая корреляция, чем сообщалось ранее. Более спекулятивное предположение Гриб и Павлов (2007, 2008) предусматривает распад сверхтяжелой темной материи с помощью процесса Пенроуза.
Первое наблюдение частицы космических лучей с энергией, превышающей 1,0 × 10 эВ (16 Дж) было получено доктором Джоном Линсли и Ливио Скарси в эксперименте на ранчо вулкана в Нью-Мексико в 1962 году.
Частицы космических лучей с еще более высокой энергии с тех пор наблюдались. Среди них была частица Oh-My-God, наблюдаемая в ходе эксперимента «Fly's Eye» Университета штата Юта вечером 15 октября 1991 г. над полигоном Дагвей, штат Юта. Его наблюдение стало шоком для астрофизиков, которые оценили его энергию примерно в 3,2 × 10 эВ (50 Дж) - другими словами, атомное ядро с кинетической энергией, равной кинетической энергии бейсбольный мяч (5 унций или 142 грамма), движущийся со скоростью около 100 километров в час (60 миль в час).
Энергия этой частицы примерно в 40 миллионов раз больше, чем у протонов с наивысшей энергией, которые были произведены в любом наземном 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 форме кинетической энергии продуктов взаимодействия (см. Collider # Explanation ). Эффективная энергия, доступная для такого столкновения, представляет собой квадратный корень из удвоенного произведения энергии частицы и энергии массы протона, что для этой частицы дает 7,5 × 10 эВ, что примерно в 50 раз больше энергии столкновения Большой Адронный коллайдер.
С момента первого наблюдения, проведенного Детектором космических лучей «Fly's Eye» Университета Юты, было зарегистрировано как минимум пятнадцать подобных событий, подтверждающих это явление. Эти частицы космических лучей очень высоких энергий очень редки; энергия большинства частиц космических лучей составляет от 10 МэВ до 10 ГэВ.
Обсерватория Пьера Оже - международная обсерватория космических лучей, предназначенная для обнаружения частиц космических лучей сверхвысоких энергий (с энергией выше 10 эВ). Расчетная скорость прибытия этих высокоэнергетических частиц составляет всего 1 на квадратный километр в столетие, поэтому для регистрации большого количества этих событий Обсерватория Оже создала зону обнаружения в 3000 км (размер Род-Айленд ) в провинции Мендоса, западная Аргентина. Обсерватория Пьера Оже, помимо получения информации о направлении от группы резервуаров с водой, используемых для наблюдения компонентов космического ливня, также имеет четыре телескопа, настроенных на ночное небо, чтобы наблюдать флуоресценцию из молекулы азота, когда частицы ливня пересекают небо, давая дополнительную информацию о направлении на исходную частицу космических лучей.
В сентябре 2017 года данные 12-летних наблюдений из PAO подтвердили внегалактический источник (за пределами Галактики Земли) происхождения космических лучей чрезвычайно высоких энергий.
Одним из предполагаемых источников частиц КЛЛВЭ является их происхождение от нейтронных звезд. В молодых нейтронных звездах с периодами вращения <10 ms, the магнитогидродинамические (МГД) силы из квазинейтральной жидкости сверхпроводящих протонов и электронов, находящихся в нейтронной сверхтекучей, ускоряют ядра железа до скоростей КЛПВЭ. Магнитное поле, создаваемое нейтронной сверхтекучей жидкостью в быстро вращающихся звездах, создает магнитное поле от 10 до 10 тесла, в этот момент нейтронная звезда классифицируется как магнетар. Это магнитное поле является самым сильным стабильным полем в наблюдаемой Вселенной и создает релятивистский МГД-ветер, который, как считается, ускоряет ядра железа, оставшиеся от сверхновой, до необходимой энергии.
Другой предполагаемый источник КЛЛПВЭ от нейтронных звезд - во время сгорания нейтронной звезды странной звезды. Эта гипотеза основана на предположении, что странная материя является основным состоянием материи, которое не имеет экспериментальных или наблюдательных данных, подтверждающих это. Из-за огромного гравитационного давления нейтронной звезды считается, что небольшие карманы материи, состоящие из верхних, нижних и странных кварков в равновесии, действуют как один адрон (в отличие от множества . Σ. барионов ). Это затем превратит всю звезду в странную материю, после чего нейтронная звезда станет странной звездой, а ее магнитное поле разрушится, что происходит из-за того, что протоны и нейтроны в квазинейтральной жидкости стали странными. Этот пробой магнитного поля высвобождает электромагнитные волны большой амплитуды (LAEMW). LAEMW ускоряют остатки легких ионов от сверхновой до энергий КЛУВЭ.
Электроны космических лучей очень высоких энергий можно объяснить Центробежным механизмом ускорения в магнитосфере Крабовидных -подобных Пульсаров.
. подтверждается наблюдением в 2019 г. космических лучей с энергией более 100 ТэВ, исходящих из Крабовидной туманности, молодого пульсара с периодом вращения 33 мс.
Взаимодействия с смещенным в синий цвет космическим микроволновым фоновым излучением ограничивают расстояние, которое эти частицы могут пройти до потери энергии; это известно как предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина или предел ГЗК.
Источник таких высоких энергий частиц долгие годы оставался загадкой. Недавние результаты обсерватории Пьера Оже показывают, что направления прихода космических лучей сверхвысоких энергий, по-видимому, коррелируют с внегалактическими сверхмассивными черными дырами в центре ближайших галактик, называемыми активными ядрами галактик (AGN). Однако, поскольку использованный масштаб угловой корреляции довольно велик (3,1 °), эти результаты не позволяют однозначно определить происхождение таких частиц космических лучей. AGN 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.
Некоторые из сверхмассивных черных дыр в Известно, что AGN вращаются, как в сейфертовской галактике MCG 6-30-15, с изменчивостью во времени их внутренних аккреционных дисков. Вращение черной дыры является потенциально эффективным средством для стимулирования образования КЛСВЭ при условии, что ионы соответствующим образом запускаются, чтобы обойти ограничивающие факторы глубоко внутри ядра галактики, в частности излучение кривизны и неупругое рассеяние с излучением внутреннего диска. Периодические сейфертовские галактики с низкой светимостью могут удовлетворить требования, создав линейный ускоритель на расстоянии нескольких световых лет от ядра, но внутри протяженных ионных торов, УФ-излучение которых обеспечивает поступление ионных примесей. Соответствующие электрические поля малы, порядка 10 В / см, благодаря чему наблюдаемые КЛСВЭ указывают на астрономические размеры источника. Улучшенные статистические данные обсерватории Пьера Оже будут способствовать выявлению предполагаемой в настоящее время ассоциации КЛСВЭ (из Местной Вселенной) с Сейфертами и ЛАЙНЕРАМИ.
Другие возможные источники частиц КЛЛПВЭ:
Предполагается, что активные ядра галактик способны преобразовывать темную материю в протоны высокой энергии. Юрий Павлов и Андрей Гриб из Лаборатории теоретической физики Александра Фридмана в Санкт-Петербурге выдвигают гипотезу о том, 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. Вблизи активного ядра галактики одна из этих частиц может упасть в черную дыру, а другая ускользнуть, как описано в процессе Пенроуза. Некоторые из этих частиц будут сталкиваться с входящими частицами; это столкновения очень высоких энергий, которые, согласно Павлову, могут образовывать обычные видимые протоны с очень высокой энергией. Затем Павлов утверждает, что свидетельством таких процессов являются частицы космических лучей сверхвысоких энергий. Частицы космических лучей сверхвысоких энергий могут также образовываться в результате распада сверхтяжелых «X-частиц» темной материи, таких как Holeums. Считается, что такие очень энергичные продукты распада, несущие часть массы X-частицы, являются правдоподобным объяснением наблюдаемых космических лучей сверхвысокой энергии (КЛУВЭ).
Частицы космических лучей высокой энергии, пересекающие межгалактическое пространство, страдают отсечкой по GZK выше 10 эВ из-за взаимодействия с космическим фоновым излучением, если первичные частицы космических лучей являются протонами или ядрами. В рамках проекта Pierre Auger, HiRes и Якутская система экстенсивного воздушного душа была обнаружена отсечка ГЗК, в то время как Акено- AGASA наблюдала события над отсечка (11 событий за последние 10 лет). Результат эксперимента Akeno-AGASA гладкий вблизи энергии отсечки GZK. Если предположить, что результат Akeno-AGASA верен, и рассмотреть его значение, возможным объяснением данных AGASA о нарушении обрезания GZK будет ливень, вызванный частицами темной материи. Частица темной материи не ограничена ГЗК-обрезанием, поскольку она слабо взаимодействует с космическим фоновым излучением. Недавние измерения, проведенные в рамках проекта Pierre Auger Project, обнаружили корреляцию между направлением частиц космических лучей высоких энергий и положением AGN.
