Новости партнеров


GEO приглашает

Бесплатный проезд на городском транспорте и скидки на посещение городских достопримечательностей —  карта Jerusalem City Pass сэкономит вам время и деньги


GEO рекомендует

Бренд Röndell дополнил ассортимент посуды из нержавеющей стали эргономичным набором  Savvy - RDS-940


Новости партнеров

Тайна частицы «о-боже-мой»

Микроскопические частицы с невообразимой энергией проделывают путь в миллионы световых лет, чтобы сбить астрономов с толку. Никто не знает наверняка, что произвело их на свет: дефекты в ткани пространства-времени, бьющие из черных дыр фонтаны плазмы или распад темной материи
текст: Борислав Козловский

Если бозон Хиггса, который открыли недавно физики на Большом адронном коллайдере,
называют «частицей Бога», то эту частицу, прилетевшую из неизвестной точки космоса, — частицей «о-боже-мой». Она ворвалась в атмосферу над американским штатом Юта ночью 15 октября 1991 года — и с тех пор ее появление пытаются хоть как-то объяснить.

Частица весила в триллион раз меньше бактерии и была в триллион триллионов раз
легче копеечной монеты. По косвенным признакам это был протон — ядро водорода, самого легкого из атомов. Но при такой ничтожной массе частица «о-боже-мой» обладала энергией автоматной пули на излете, все еще способной убить человека. Или, если воспользоваться более привычными для ученых величинами, ее энергия была примерно в миллион раз больше, чем у самых быстрых частиц, которые физики разгоняют в Большом адронном коллайдере.

То есть где-то в космосе работает коллайдер в миллион раз мощнее.

То, что Землю днем и ночью бомбардирует поток частиц из космоса, обнаружили чуть больше ста лет назад. В 1911-м будущий нобелевский лауреат Виктор Франц Гесс, забравшись на Эйфелеву башню с электрометром и полетав с ним же на воздушном шаре, пришел к неожиданному выводу: на высоте нечто ионизирует воздух в разы сильнее, чем у поверхности Земли. Тогда было модно считать, что за всем непонятным стоят разные невидимые лучи (только что были открыты рентгеновское излучение и радиоактивность, такая же невидимая), поэтому Гесс недолго думая приписал замеченный им эффект «космическим лучам». Как выяснилось позднее, в большинстве своем это были все-таки не лучи, а элементарные частицы всех сортов и видов.

Источник существенной доли частиц, возбуждающих атмосферу, — Солнце. Когда от него отрывается кусок плазмы и летит в сторону Земли, это оборачивается проблемами со спутниковой связью и мощными полярными сияниями. Но астрофизики давно выяснили, что довольно много космических частиц прибывают к нам из других галактик.

Частица о-боже-мой

Частица о-боже-мой


Воздушные шары с приборами, которые НАСА запускает в верхние слои атмосферы, — дешевая альтернатива спутникам. В стратосфере, где воздух особенно разрежен, некоторые из них раздуваются до размеров большого крытого футбольного стадиона с трибунами

Космос большой, поэтому естественно предположить, что в нем есть небесные тела «на любой вкус и цвет». Чем дальше в лес, тем больше невиданных диковин, которые бьют во все стороны фонтанами экзотической материи. Так почему бы брызгам этих фонтанов не долетать до Земли? Если есть атомные ядра с энергией пули, то отчего бы время от времени в атмосферу не врываться и атомным ядрам с энергией Тунгусского метеорита?

Физики-теоретики из США и СССР 50 лет назад, не сговариваясь, доказали, почему это невозможно — и почему, в частности, частица «о-боже-мой» тоже не должна существовать.

Само устройство космоса кладет предел энергиям частиц, способным прорваться к Земле с другого конца Вселенной. У них на пути есть неожиданное препятствие — древнее излучение, которое называют реликтовым и которое заполняет собой весь космос. Когда-то это был свет, испущенный еще бесформенной материей всего через 380 тысяч лет после Большого взрыва. За 13,8 миллиарда лет, прошедших с момента рождения Вселенной, свет успел превратиться в слабые невидимые микроволны. Однако эти микроволны есть в каждом кубическом сантиметре пространства, и сверхбыстрые частицы, взаимодействуя с ними, растрачивают свою сверхэнергию прежде, чем доберутся до нас. Этот эффект называют пределом Грайзена-Зацепина-Кузьмина (сокращенно ГЗК). Или, поскольку невозможные частицы все-таки существуют, парадоксом Грайзена-Зацепина-Кузьмина. Их не должно быть, а они есть.

Пытаясь объяснить этот парадокс, трое физиков-теоретиков из США и Германии в 2012 году даже опубликовали работу, где на полном серьезе доказывали, что ГЗК — одно из свидетельств того, что мы живем внутри компьютерной симуляции. Мол, реши кто-нибудь создать модель Вселенной на суперкомпьютере, он вынужден был бы под каким-нибудь предлогом ввести в эту модель именно такие ограничения на энергию частиц — иначе вычисления очень усложнятся. И, видимо, исключения из правил вроде частицы «о-боже-мой» — это пыль в глаза для жителей смоделированной ненастоящей Вселенной.

Частица о-боже-мой

Частица о-боже-мой


В центре гигантской эллиптической галактики M87 в созвездии Девы, до которой 50 миллионов световых лет, предположительно находится черная дыра; масса ее в пять миллиардов раз больше массы Солнца. Она испускает два «релятивистских» джета. Тот, что поярче (на иллюстрации он вверху), «выплескивается» в космос на пять тысяч световых лет

Но если все-таки считать нашу Вселенную реальной, то с исключениями из правил придется разбираться по законам физики. Одна лазейка тут остается, объясняет Михаил Зотов из Лаборатории космических лучей предельно высоких энергий МГУ. Парадокс ГЗК сформулирован для частиц, прилетевших с другого края Вселенной. А для ближайших окрестностей нашей галактики такого запрета нет. Значит, источник частицы «о-боже-мой» стоит поискать у нас под боком. С точки зрения космологов, «под боком» — это в сфере радиусом 160 миллионов световых лет. По сравнению с диаметром видимой Вселенной в 93 миллиарда световых лет это и вправду мало.

Что умещается внутри этой сферы? Диаметр нашей галактики, Млечного Пути, — около 100 тысяч световых лет; расстояние до одной из ближайших галактик, Туманности Андромеды, — около 2,3 миллиона световых лет. «Наша галактика принадлежит к скоплению, называемому Сверхгалактика, и у этого скопления есть условная плоскость сверхгалактики. В этой плоскости лежит множество активных галактических ядер», — буднично рассказывает Зотов про возможные космические коллайдеры. «Активными галактическими ядрами» астрономы называют гигантские черные дыры в центрах некоторых галактик, которые проглатывают окружающую материю с таким «аппетитом», что светятся в рентгеновских лучах ярче всех звезд галактик вместе взятых. Иногда такие дыры выпускают вдоль оси своего вращения струи плазмы («релятивистские джеты»), скорость которых близка к скорости света, — это похоже на мощный водоворот, из центра которого бьет фонтан.

На Земле мощные водовороты производят шум и грохот. Космический аналог шума и грохота — ударные волны в разреженном межзвездном газе. На фронте волны и происходит разгон частицы: оказавшись запертой между парой электромагнитных стенок, она мечется от одной к другой, как шарик для пинг-понга. И с каждым отскоком прибавляет в скорости.

Другие фабрики ударных волн — разнообразные космические взрывы вроде рождения сверхновых, когда звезда сбрасывает газовую оболочку и превращается в черную дыру. Но и это сравнительно скучные кандидаты на роль источника частиц «о-боже-мой». Как насчет дефектов ткани пространства-времени? Еще десять лет назад эту идею активно рассматривали всерьез. Предполагалось, что у пространства может быть нечто вроде швов — бесконечно тонких «космических суперструн» длиной в несколько световых лет. И именно в этих местах Вселенная в буквальном смысле трещит по швам, фонтанируя высокоэнергетическими частицами.

Частица о-боже-мой

Частица о-боже-мой


Гамма-всплески — едва ли не самые мощные взрывы во Вселенной. Произойди такой в нашей галактике — и он почти наверняка уничтожил бы жизнь на Земле. На фото — суперкомпьютерная симуляция одного из сценариев подобной вспышки: порция разогнанного вещества — будущий «релятивистский джет» — пробивается сквозь внешние слои массивной звезды Вольфа-Райе, которая превращается в черную дыру

Хотя с тех пор теория струн и перестала быть самой горячей темой у астрофизиков, необычных гипотез у них хватает. Темная материя — основной материал Вселенной (ее в космосе в 5,5 раз больше, чем обычного вещества) и выступает в роли невидимого остова, на который нанизаны звезды в галактиках. Но ученые не могут даже сказать, из каких именно частиц она состоит. Ясно одно: темная материя никак не вписывается в Стандартную модель — самое полное и непротиворечивое описание того, из чего сделан мир. И супербыстрые частицы могут быть продуктом ее распада.

Как поймать эти супербыстрые частицы? Поскольку они движутся со скоростью, не отличимой от скорости света, время для таких частиц практически останавливается. Путь от центра нашей галактики до Земли — 32 тысячи световых лет — занял бы по внутренним часам частицы «о-боже-мой» 3,2 секунды. Когда супербыстрая частица входит в атмосферу, то обгоняет и сам свет, который в воздухе распространяется на 0,03 процента медленнее. Поэтому первое, чем частица дает о себе знать, — невидимая глазу вспышка ультрафиолетовых лучей («излучение Черенкова»). По таким ультрафиолетовым вспышкам на ночном небе приборы и делают вывод о прибытии очередной частицы. Михаил Зотов уточняет: «Это очень слабый сигнал, его можно заметить только в ясную безлунную ночь, когда нет облаков и состояние атмосферы очень хорошее».

Долететь до земли у такой частицы нет шансов — на ее пути слишком много молекул воздуха. Врезаясь в них, сверхбыстрая частица порождает на высоте десять–двадцать километров от Земли лавину новых, вторичных частиц. И на нас обрушивается дождь из электронов и гамма-лучей, который называют «широким атмосферным ливнем». Широкий он потому, что радиус поражения — десятки квадратных километров. Так одно-единственное атомное ядро провоцирует электронную бурю в атмосфере.

Регистрация такой бури на уровне земли — самый надежный способ узнать, что к нам прилетело. «Есть теоретические модели взаимодействия частиц, проверяемые экспериментально — к примеру, на Большом адронном коллайдере. Довольно хорошо известно, например, как ведет себя протон, столкнувшись с молекулой или атомом кислорода при определенной энергии. Когда космическая частица влетает в земную атмосферу, там рождается целый каскад вторичных частиц. Каскады эти отличаются в зависимости от того, какой была первоначальная масса частицы. И глубина каждого каскада тоже разная», — говорит Зотов.

Увидеть след такого каскада в атмосфере можно и невооруженным глазом — в грозу. По одной из гипотез именно космические лучи прокладывают в атмосфере маршруты будущим вспышкам молний. Гигантская искра между грозовым облаком и землей проскакивает там, где перед этим быстрые частицы ионизировали воздух. Но грозы все-таки слишком редкий и ненадежный источник знаний о космических лучах, и ученые предпочитают изучать частицы иначе.

Один из наблюдательных пунктов астрофизиков — обсерватория Пьера Оже в Аргентине: по трем тысячам квадратных километров пампы на расстоянии в полтора километра друг от друга расставлены 1600 десятитонных баков со сверхчистой водой. В баках спрятаны фотодетекторы. Если частица «широкого атмосферного ливня» попадает в бак, она вызывает черенковское излучение уже в воде. Эта система работает вместе с 24 телескопами, которые следят за ультрафиолетовыми вспышками в небе.

Но есть одна проблема: если обычный любительский телескоп можно повернуть и направить в любую точку неба, то обсерватория из 1600 водяных баков смотрит только вверх над собой. В каком-то смысле вся эта система — заложник устаревшей теории: когда в 1990-е для нее выбирали место, астрономы искренне верили, что особенно много сверхбыстрых частиц прилетает из центра нашей Галактики — сверхмассивной черной дыры в созвездии Стрельца. Это созвездие обсерватория Пьера Оже регулярно видит над собой, но ничего особо выдающегося там, похоже, нет. Зато есть слепые пятна в других частях неба.

Нельзя ли следить и за ними, не строя новых обсерваторий за миллионы долларов? В Нью-Йоркском университете предложили использовать для этого самую распределенную сеть фотодетекторов на Земле — смартфоны с фотокамерами. Чтобы помочь астрономам, не нужно фотографировать небо в безлунную ночь на смартфон и изучать снимки под микроскопом. Достаточно установить приложение Crayfis, которое разработали авторы идеи, положить телефон на стол камерой вниз — и приложение сделает все само. Почему камерой вниз? Потому что идея в том, чтобы регистрировать только проникающее излучение, для которого не помеха даже слой свинца умеренной толщины. Когда камера смотрит в стол, она на черном фоне ничего другого, кроме проникающего излучения, не показывает — эти сигналы ни с чем не спутать.

Наблюдения ведут также со спутников и из верхних слоев атмосферы. Например, НАСА отправляет в стратосферу детекторы космических лучей на гигантских воздушных шарах, которые при низком давлении раздуваются до размеров стадиона в московских Лужниках и объема в 40 миллионов кубометров.

Но даже если ученым понятно, откуда частица прилетела, то о месте ее рождения ничего не известно: космические лучи, в отличие от света, распространяются не по прямой. «Заряженные частицы отклоняются в магнитных полях, а все окружающее пространство пронизано магнитными полями. Значит, частицы, которые это пространство пересекают, начинают отклоняться от первоначальной траектории. Как пуля под воздействием ветра», — объясняет Михаил Зотов. Поэтому ультрафиолетовая вспышка над головой запросто может быть вызвана небесным телом, которое уже спряталось за горизонт. Казалось бы, достаточно посмотреть на карту магнитных полей и учесть все поправки, которые они вносят в траекторию частицы. «К сожалению, магнитные поля до сих пор известны очень приблизительно», — говорит ученый.

Чтобы восстановить картину событий наиболее полно, астрономы привыкли сводить воедино показания разных приборов. Увидели взрыв сверхновой в телескоп — надо направить туда же радиоантенну, и радиоволны дополнят картину. Но если траектории частиц кривые, то по пути к нам они могут сделать крюк в тысячи лишних световых лет — и на тысячи лет отстать от света, радиоволн и других сигналов, которые могли бы добавить ясности.

А так ли важно добиваться этой ясности? В конце концов, космические частицы — это не астероиды, которые угрожают Земле, и не планеты, где может водиться жизнь. Зачем ими интересоваться? Во-первых, это самые концентрированные порции энергии, с которыми когда-либо сталкивалась наука. «Не исключено, что там есть какие-то взаимодействия, которые мы сейчас не понимаем, — говорит Зотов. — А второй и основной повод интересоваться ими — это природное любопытство человека: хочется выяснить, что это такое».

Фото: NASA

19.02.2017
Теги:
Связанные по тегам статьи: