Возможно, ученые приблизились к решению одной из самых сложных загадок в астрофизике: определению источника частиц с ультравысокой энергией (UHECR), которые обладают наибольшей энергетической мощностью среди всех известных частиц во Вселенной. Новая теория, разработанная физиком Гленнис Фаррар из Нью-Йоркского университета, предполагает, что эти частицы формируются в процессе слияния нейтронных звезд — одних из самых экстремальных и разрушительных явлений, наблюдаемых во Вселенной.
Что такое ультравысокоэнергетические космические лучи?
Ультравысокоэнергетические космические лучи (UHECR) представляют собой частицы, обладающие энергией, которая во много раз выше, чем энергия, достигаемая в самых передовых наземных ускорителях частиц, например, в Большом адронном коллайдере. Эти частицы распространяются в космическом пространстве и периодически достигают Земли, однако источник их возникновения оставался невыясненным на протяжении более чем шести десятилетий.
Слияние нейтронных звезд как генератор ультравысокоэнергетических космических лучей
Гленнис Фаррар, профессор физики Нью-Йоркского университета, разработала новую теорию, объясняющую возможное происхождение UHECR в ходе слияния нейтронных звезд. Нейтронные звезды – это крайне плотные остатки массивных звезд, которые обрушились после взрыва сверхновой. Слияние двух нейтронных звезд приводит к образованию черной дыры и сопровождается выбросом колоссальной энергии.
Теория Фаррара предполагает, что ультравысокоэнергетические космические лучи (UHECR) получают ускорение в турбулентных магнитных полях, формирующихся при слиянии нейтронных звезд. Эти магнитные поля выбрасываются из остатков звезд еще до образования черной дыры. Данный механизм не только порождает частицы с чрезвычайно высокой энергией, но и генерирует мощные гравитационные волны, зафиксированные обсерваториями LIGO и Virgo.
Почему это важно?
Теория Фаррар не просто объясняет происхождение ультравысокоэнергетических космических лучей, но и устанавливает связь между ними и другими важными процессами, происходящими во Вселенной. Слияние нейтронных звезд, в частности, является причиной образования многих тяжелых элементов, включая золото, платину, уран и йод. Следовательно, это открытие способствует более глубокому пониманию того, как во Вселенной формируются редкие и ценные элементы.
Теория также выдвигает два основных прогноза, которые можно будет подтвердить или опровергнуть в ходе будущих исследований:
- Элементы, обладающие наивысшей энергией, вероятно, формируются из редких веществ, например, ксенона и теллура, в процессе, известном как r-процесс, который характеризуется интенсивным захватом нейтронов).
- Взаимодействие ультравысокоэнергетических космических лучей должно сопровождаться генерацией высокоэнергетических нейтрино и гравитационных волн, что предоставляет уникальные возможности для исследований и проверки теоретических предсказаний.
Как это меняет наше понимание Вселенной?
Фаррар предоставляет ученым инновационный инструмент для исследования наиболее экстремальных явлений, происходящих во Вселенной. Слияние нейтронных звезд является не только источником ультравысокоэнергетических космических лучей, но и позволяет лучше понять процессы, определяющие эволюцию нашей Вселенной.
«После шестидесяти лет исследований мы, возможно, приблизились к разгадке происхождения этих загадочных частиц », — говорит Фаррар. — «Это открытие не только объясняет природу ультравысокоэнергетических космических лучей, но и расширяет знания о формировании тяжелых элементов, а также о связи гравитационных волн и космических лучей ».
Будущие исследования
Теория Фаррар вызвала интерес у ученых. В будущем астрономы и физики намерены провести дополнительные исследования для проверки её положений. В частности, поиск редких элементов в составе UHECR и одновременное выявление гравитационных волн и нейтрино могут послужить важными подтверждениями.
Исследование Фаррар опубликовано в журнале Physical Review Letters и доступно по ссылке .