Частицы самых высоких энергий приходят к нам из далеких галактик

Обсерватория Пьера Оже в Аргентине получила убедительные доказательства того, что источники частиц самых высоких энергий лежат за пределами Млечного Пути.

«Впервые у нас есть доказательство, что космические лучи с наивысшей энергией имеют внегалактическое происхождение», – говорит Алан Уотсон, британский астроном и соучредитель обсерватории.

Международная команда исследовталей проанализировала данные за 12 лет и обнаружила, что частицы в верхнем диапазоне энергий чаще появлялись из области неба за пределами диска Млечного Пути. Эта асимметрия примерно соответствует распределению соседних галактик.

Работа не идентифицирует отдельные источники космических лучей и не объясняет, как они достигают своих высших энергий. Но исследователи считают, что это первый и важный шаг к пониманию их природы.

Невидимый душ

Большинство космических лучей состоят из протонов и других заряженных частиц, включая ядра атомов тяжелее железа. Когда дождь из этих частиц обрушивается на верхние слои атмосферы Земли и сталкивается с ядрами атомов в воздухе, «шрапнель» из субатомных частиц разлетается во все стороны. Это провоцирует новые столкновения, которые приводят к образованию невидимого «душа», распространяющегося на многие квадратные километры к моменту достижения поверхности.

Для обнаружения «осадков» самых высоких энергий Обсерватория Пьера Оже оборудована 1660 резервуарами объемом 12000 литров каждый, наполненными водой. Обсерватория покрывает поверхность в 3000 квадратных километров в Аргентинской провинции Мендоса. Четыре комплекта телескопов контролируют небо над массивом и в безлунные ночи могут фиксировать вспышки ультрафиолетового излучения, создаваемого потоком космических лучей. Из-за относительно близкого к экватору расположения массив может захватывать космические лучи, приходящие от всего южного, а также от большей части северного неба, покрывая таким образом 85% небесной сферы.

На данный момент обнаружены космические лучи с энергией, превышающей 10²⁰ электронвольт (эВ). Для сравнения, в Большом адронном коллайдере, самом мощном в мире ускорителе частиц, суммарная энергия от столкновения протонов достигает всего лишь 7 × 10¹² эВ. Однако, чем выше энергия космических лучей, тем реже они достигают Земли. В среднем на один квадратный километр поверхности приходится всего одна частица с энергией  10²⁰ Эв за столетие.

В ходе своей работы исследователи рассмотрели «собранные» в период с 2004 по 2016 год 32187 частиц с энергией выше 8 × 10¹⁸ эВ. В результате ученые установили, что из одной определенной части неба космические лучи приходят примерно на 12% чаще, чем из других, при этом область не «касается» центра Млечного Пути.

Удивительный перекос

Большинство исследователей ожидали такой перекос, но не настолько сильный. Кроме того, если учесть магнитное отклонение, асимметрия, наблюдаемая Обсерваторией Пьера Оже, согласуется с распределением галактик, лежащих в пределах 326 миллионов световых лет от Млечного Пути.

Результаты опровергают теорию, что сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики является основным источником частиц высоких энергий, но по-прежнему не исключает главных подозреваемых: активные галактические ядра и взрывы звезд.

Теперь, когда у исследователей появилось больше данных, они снова попытаются найти корреляцию между распределением космических лучей и их потенциальными источниками. Результаты нового исследования должны появиться в течение нескольких месяцев.