Иногда ученые фиксируют частицы космических лучей, движущиеся почти со скоростью света и обладающие колоссальной энергией, превышающей показатели Большого адронного коллайдера во много миллионов раз. Недавно европейские ученые заявили об обнаружении, по крайней мере, одного из источников этих частиц.
В 1991 году в штате Юта зафиксировали падение частицы, обладающей энергией в 320 квинтиллионов электронвольт. Это сопоставимо с энергией, которую может иметь теннисный мячик, брошенный рукой спортсмена-профессионала, за исключением того, что речь шла о субатомной частице. Обычно микроскопические объекты не обладают такой большой энергией, как макроскопические, однако эта частица была настолько энергичной, что ее скорость приблизительно оценивается как 0,9999999999999999999999951 скорости света назвали «О мой Бог!».
Еще одна важная проблема, с которой сталкиваются физики, стремящиеся понять эти частицы, — это предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина. По мере движения частицы через Вселенную, она должна терять энергию, рассеиваясь на фотонах реликтового излучения и, как следствие, образуя пионы). В среднем, на расстоянии 163 миллиона световых лет, любой протон с энергией, превышающей 50 квинтиллионов электронвольт, должен потерять энергию и снизиться ниже этого уровня. Поэтому частицы, подобные «О мой Бог!», не могут исходить из областей, находящихся дальше нескольких сотен миллионов световых лет. Астрономы способны наблюдать мощные астрофизические явления на таких расстояниях, однако в областях, предположительно являющихся источниками этих частиц, не зафиксировано повышенной активности.
Заметно более любопытная картина наблюдается при изучении ядер атомов, превышающих по массе железо. В 2021 году была зарегистрирована одна подобная частица, также обладающая энергией в сотни квинтиллионов электронвольт. Для нее расчетная дальность затухания, вероятно, будет небольшой 16,3 миллиона световых лет, что очень близко от нас и уж точно неплохо наблюдаемо внегалактической астрономией. Но с той стороны, откуда пришла эта «частица Аматэрасу» не нашли вообще ни одного астрономического объекта, который мог бы быть кандидатом в источники подобных частиц. Более того: она пришла из так называемого Местного войда, это обширный межгалактический регион, в котором, согласно данным наблюдательной астрономии, количество галактик значительно меньше, чем в других областях Вселенной, не говоря уже об активных объектах.
На протяжении последних десятилетий астрофизики предложили множество гипотез, направленных на объяснение того, какие природные «суперускорители» способны наделять атомные ядра энергией, сопоставимой с кинетической энергией падающего кирпича. Выделяют три основные группы потенциальных кандидатов: сверхмассивные черные дыры, аккрецирующие вещество (при этом часть этого вещества выбрасывается на высоких скоростях), черные дыры, испускающие потоки плазмы, близкие по скорости к скорости света, и процессы приливного разрушения, например, звезд (также возникающие при взаимодействии с черной дырой). Все эти подходы сталкиваются с общими трудностями: если бы такие явления происходили на расстояниях до нескольких десятков миллионов световых лет, они должны были бы быть заметны в видимом и других диапазонах электромагнитного спектра. Однако никаких наблюдений за ними не зафиксировано, за исключением регистрации отдельных частиц, прилетающих из этих регионов.
В новой статье группа европейских астрофизиков представила альтернативный способ решения данной проблемы, опубликованной в Місячні повідомлення Королівського астрономічного товариства , исследователи изучили ультрабыстрые потоки материи, исходящие из областей вокруг сверхмассивных черных дыр, которые активно поглощают вещество. Они попытались определить, какие энергии могут приобретать частицы в этих потоках, также называемых «ветром от черных дыр».
При моделировании с помощью инструмента 3D CRPropa авторы проанализировали данные по 86 известных случаев ветров от черных дыр. Результаты показали, что ядра атомов железа в таких ветрах способны достигать энергии до ста квинтиллионов электронвольт. Однако, поток этих ядер значительно уменьшается из-за фотоядерных реакций, происходящих при взаимодействии с фотонами, распространяющимися от активно поглощающей материю сверхмассивной черной дырой. Этот процесс обусловлен нагревом вещества, падающего в черную дыру и образующего аккреционный диск. Нагрев настолько интенсивен, что аккреционный диск активно излучает, в том числе и в рентгеновском диапазоне.
Несмотря на это, встречаются условия, при которых даже такие энергичные частицы способны покинуть окрестности черных дыр, практически не ослабнув от взаимодействия с фотонами. Ученые установили, что при кратковременных перерывах в активности сверхмассивной черной дыры, поглощающей материю, скорость ее аккреции, а также скорости, характерные для аккреционных дисков, из которых происходит это падение, снижаются. Следовательно, уменьшаются температура и светимость этих дисков. В результате они излучают значительно меньше фотонов, и некоторые частицы с энергиями до десятков квинтиллионов электронвольт могут выбраться из зоны сверхмассивной черной дыры вместе с ее ветром.
Предложенный метод позволяет решить проблему с большинством космических лучей ультравысоких энергий, однако не охватывает диапазон, превышающий сто квинтиллионов электронвольт, в котором уже достоверно зафиксировано три частицы. Помимо этого, даже временно неактивная сверхмассивная черная дыра на расстоянии до 16,3 миллиона световых лет должна быть детектируема, однако частице Аматэрасу так и не удалось обнаружить какой-либо источник. Таким образом, поиск ответа на вопрос об их происхождении продолжается.