Иногда учёные фиксируют частицы космических лучей, движущиеся со скоростью близкой к скорости света и обладающие энергией в миллионы раз большей, чем та, которую можно получить на Большом адронном коллайдере. Группа европейских исследователей считает, что обнаружила источник как минимум одной из этих частиц.
В 1991 году в штате Юта зарегистрировали падение частицы с энергией 320 квинтиллионов электронвольт. Это как энергия теннисного мяча, брошенного профессиональным спортсменом, только частица была субатомной. Микроскопические объекты практически никогда не обладают такой энергией, но эта конкретная была настолько мощной, что ее скорость движения оценили в 0,9999999999999999999999951 скорости света. Неудивительно,… назвали «О мой Бог!».
Ещё одно серьёзное затруднение для этих частиц, и в особенности для физиков, пытающихся разобраться с ними – предел Грайзена — Зацепина — КузьминаПока частица движется сквозь Вселенную, необходимо, чтобы та рассеивалась на фотонах реликтового излучения, то есть теряла энергию во время взаимодействия с ними (создавая попутно) пионыВ среднем за расстояние 163 миллиона световых лет любой протон с энергией выше 50 квинтиллионов электронвольт потеряет свою энергию и опустится ниже порога в 50 квинтиллионов электронвольт. Следовательно, частицы типа «О мой Бог!» не могут прибывать из удалений больше нескольких сот миллионов световых лет. Астрономы неплохо наблюдают мощные астрофизические события на такой дистанции, но в местах, откуда прилетают подобные частицы, никакой особой активности не заметно.
Потрясающая ситуация сложилась не с протонами, а с ядрами более тяжелых атомов, например, железа. В 2021 году было зарегистрировано одно такое ядро (также с энергией в сотни квинтиллионов электронвольт). Для него дистанция гашения должна быть не больше… 16,3 миллиона Световых лет – это очень близко к нам и отлично наблюдаемо внегалактической астрономией. С другой стороны, откуда пришла эта «частица Аматэрасу», не нашли ни одного объекта, который мог бы быть источником подобных частиц. Более того: из так называемого… Местного войдаЭто огромная межгалактическая пустота, где по наблюдениям астрономов значительно меньше как активных объектов, так и галактик, чем в других частях Вселенной.
За последние десятилетия астрофизики выдвинули ряд гипотез, пытающихся объяснить, какие природные «суперускорители» могли бы придавать ядру атома энергию падающего кирпича. Основных групп кандидатов три: сверхмассивные черные дыры, пожирающие вещество (часть которого отбрасывается на скорости), такие же дыры, но извергающие околосветовые шнуры плазмы от полюсов, и события приливного разрушения, например, звезд (также от взаимодействия с черной дырой). Все подходы имеют сходные проблемы: подобные события на расстояниях до десятков миллионов световых лет должны неплохо наблюдаться в видимом и ином диапазоне. Таких наблюдений нет, за исключением прилета оттуда одиночных частиц.
Группа европейских астрофизиков выдвинула новый метод решения задачи. В публикации, опубликованной в Ежемесячные сообщения Королевского астрономического общества. Ученые рассмотрели ультрабыстрые потоки материи из окрестностей сверхмассивных черных дыр, активно поглощающих материю. Попытались рассчитать, какие именно энергии могут получить частицы в таких потоках, также известных как «ветра от черных дыр».
Исследователи применили моделирование с помощью инструмента 3D CRPropa к данным по 86 известным случаям ветров от черных дыр. Результаты показали, что ядра атомов железа в таких ветрах могут быть разогнаны до ста квинтиллионов электронвольт. Однако поток их существенно ослабляется за счет фотоядерных реакций ядер с фотонами, испускаемыми активно питающимися сверхмассивными черными дырами. Этому способствует сильный нагрев падающей в черную дыру материи в аккреционном диске, который интенсивно излучает даже в рентгеновском диапазоне.
Несмотря на это, существуют ситуации, когда даже такие активные частицы могут уйти от черных дыр без сильного ослабления из-за взаимодействия с фотонами. Ученые обнаружили, что при перерывах в активности сверхмассивной ЧД, поглощающей материю, скорость падения материи в нее снижается, а также уменьшаются скорости в аккреционных дисках, откуда происходит это падение. В итоге понижаются температура и светимость таких дисков. Из-за этого фотоны излучают гораздо меньше энергии, и некоторые частицы с энергиями до десятков квинтиллионов электронвольт могут покинуть зону сверхмассивной ЧД вместе с ее ветром.
Предложенный подход охватывает большую часть космических лучей ультравысоких энергий, но не диапазон более ста квинтиллионов электронвольт, где зарегистрированы три частицы. Даже временно бездействующая сверхмассивная черная дыра на расстояниях до 16,3 миллиона световых лет должна быть заметна, а у частицы Аматэрасу источник так и не найден. Поиск ответов о её природе продолжается.
