Горещо петно от Голяма мечка

Екип от 125 астрофизици откри и изучи „горещо петно“ в съзвездие Голяма мечка. Така учените се приближиха със стъпка по-близо до откриването на загадъчните източници на най-енергийните частици във Вселената.

Обсерваторията Telescope Array, разположена в щата Юта (САЩ) и експлоатирана от международна колаборация от учени от Белгия, Корея, Русия, САЩ и Япония, е открила така наречено горещо петно – област на небето, от която идват неочаквано много космически лъчи с ултрависоки енергии. Изследването е изпълнено от колектив от 125 учени.

Според съобщението на учените откритието се явява крачка напред към разбирането на природата на загадъчните източници на най-енергийните частици във Вселената.

„Това ни доближава към откриването на източника, макар задачата още да не е решена – съобщава Гордън Томсън, професор от университета на Юта, един от ръководителите на обсерваторията Telescope Array – най-големия детектор на космически лъчи в Северното полукълбо. – Ние виждаме петно на небето, но в него има множество обекти от различни типове, които може да се явяват източници на космическите лъчи с ултрависока енергия. Но сега знаем къде да търсим.“

Според Томсън много астрофизици смятат, че космическите лъчи с ултрависоки енергии се раждат в активните ядра на галактики, в които част от материята се засмуква от черната дупка, а друга част се изхвърля като насочена струя.

Друга популярна хипотеза се състои в това, че космическите лъчи се раждат при свръхмощни взривове на звезди – гама-експлозии.

Източници на космически лъчи с по-ниски енергии са Слънцето, други звезди и взривове на свръхнови, докато произходът на най-енергийните космически лъчи е загадка от десетилетия.

Частици отвъд Млечния път

Откритите през 1912 година космически лъчи всъщност представляват не лъчи, а частици – протони (ядра на водородни атоми) или ядра на по-тежки химични елементи. Сред възможните източници на космическите лъчи, освен активните ядра на галактиките и взривовете на свръхнови, се назовават радиогалактиките, ударните вълни от сблъсъка на галактики и мощни магнетари, разположени в други галактики.

Космическите лъчи може да се образуват и в резултат на бавен разпад на хипотетични свръхтежки частици, останали от Големия взрив, случил се преди 13,8 млрд. години, които днес е възможно да съставляват тъмната материя.

Инсталацията на Telescope Array регистрира космически лъчи с енергия над 10¹⁸ електронволта. Тази енергия само на една частица е равна на кинетичната енергия на топка за тенис, в която има трилиони атоми.

Космическите лъчи с такива високи енергии идват към нас извън пределите на нашата галактика – Млечния път, чийто размер е 100 000 светлинни години.

Според предсказанието на Грайзен-Зацепин-Кузмин частиците с високи енергии трябва да губят енергия във взаимодействията с реликтовото лъчение. Този ефект, предсказан през 1966 година, днес е потвърден в експерименти на HiRes, Pierre Auger и Telescope Array.

Затова такива частици не могат да идват от прекалено далечни части на Вселената – повече от 90% от тях трябва да се раждат на разстояния, непревишаващи 300 млн. светлинни години.

„От това, че космическите лъчи не се концентрират явно около източника, а идват доста изотропно, следва, че такива източници трябва да са много. Това изискване трудно се съгласува с ограниченията на физическите свойства на източниците, изискващи изключителни характеристики на ускоряващи обекти.

Днес съществува само един модел, удовлетворяващ всички наблюдателни данни, той е предложен от участниците в нашата група преди две години – обяснява Сергей Троицки, водещ научен сътрудник от Института за ядрени изследвания на Руската академия на науките, пред Газета.ру. – С ръста на статистиката източниците трябва рано или късно да се разкрият. Най-близкият до нас мощен източник трябва да се прояви първи и той може да изглежда като „горещо петно“.

„По пътя към нас космическите лъчи се отклоняват в галактичните и извънгалактичните магнитни полета. Величината на магнитното поле в нашата галактика може да бъде определена от измерването на въртенето на плоскостта на поляризацията на радиолъчението от далечни източници, а извън пределите на галактиката точни измервания на магнитните полета няма – допълва ръководителят на руската група в Telelscope Array Игор Ткачев. – За космически лъчи с относително ниска енергия отклоненията в магнитното поле водят до загуба на информация за изходната посока на разпространение, затова такива частици не посочват своите източници.

Най-енергийните космически лъчи са привлекателни с това, че за тях отклоненията в галактичното магнитно поле не са толкова големи, което принципно отваря вратите за нова област на науката – астрономия на заредените частици. Пълната величина на отклонението от посоката на източника трябва да зависи от неизвестни днес извънгалактични магнитни полета. Идентификацията на източниците ще позволи да се измерят тези полета.“

Според Григорий Рубцов от Института за ядрени изследвания на РАН задачата по търсене на източниците на космическите лъчи е свързана с нерешената още задача за точното определяне на техния състав.

„Протоните – водородните ядра – се отклоняват от магнитни полета по-слабо, отколкото ядрата на други химични елементи, така че за ултрарелативистките частици определена енергия на отклонението е пропорционална на заряда, но не зависи от масата – отбелязва Рубцов. – По такъв начин, идентифицирайки източника, може да се оцени зарядът на частиците по величината на отклонението от посоката на източника.

Точното знание на състава ще позволи да се изследват процесите на взаимодействие на такива частици вътре в източниците, а също с междузвездната среда и атмосферата. Тези процеси протичат при енергии, повече от десет пъти превишаващи максималните енергии на сблъсък, достижими на съвременните колайдери.“

Обсерваторията Telescope Array използва два метода за регистриране на космически лъчи. Инсталацията има четири комплекса телескопи, разположени на няколко десетки километра един от друг, всеки от които фиксира слаби изблици ултравиолетово флуоресцентно лъчение на атоми азот и кислород, предизвикани от взаимодействието на космическите частици с атмосферата.

Такива частици, попадайки в атмосферата, раждат каскада вторични частици, наречени широки атмосферни валежи. Те се регистрират от 523 наземни сцинтилационни детектора, които покриват площ от 700 кв. км. Флуоресцентните детектори се използват за по-точно определяне на енергията на частиците.

Горещото петно

В новото изследване на обсерваторията Telescope Array групата учени е разглеждала космически лъчи с енергия над 5,7•10¹⁹ електронволта. Тези космически частици са били регистрирани от 11 май 2008 година до 4 май 2013 година. Независимо от голямата площ на инсталацията, за пет години са фиксирани общо 72 такива събития.

Оказало се, че 19 от тези частици идвали от една област на небето, която получила името „горещо петно“.

Ако космическите лъчи бяха разпределени изотропно, от „горещото петно“ биха се очаквали средно 4,5 събития. Откритото „горещо петно“ е кръг с радиус около 20 градуса, разположен под съзвездие Голяма мечка.

„Горещото петно“ се намира близо до свръхгалактичната плоскост, свързана със свръхкупа Дева, в който влиза и нашата галактика. Учените съобщават, че вероятността „горещото петно“ да се явява случайна флуктуация, е приблизително 1:3000.

„Най-известният сега близък източник на космически лъчи може да бъде и източник на неутриното със свръхвисоки енергии, открито наскоро от детектора IceCube – отбелязва Сергей Троицки. – Актуална посока на теоретични изследвания днес е построяването на модел, който би могъл едновременно да опише и произхода на неутриното, и произхода на заредените частици. Такива изследвания се правят в нашата група.“

Разширение на търсенето

19 частици се явяват статистически значимо указание на присъствието на „горещото петно“. И все пак такава статистика не е достатъчна да се проведат допълнителни изследвания на наблюдаваното явление.

Например интересно е изследването на изменението на размера на „горещото петно“ с нарастването на енергията, сравняването на характеристиките на събитията с предсказанията на конкретни модели, изследването на химичния състав на космическите лъчи от „горещото петно“. За тези задачи се изисква значително увеличаване на статистиката, което ще бъде възможно с планираното увеличение на ефективната площ на инсталацията четири пъти.

Учените планират да удвоят броя на наземните детектори, като увеличат и разстоянието между тях, за да се увеличи четири пъти общата площ.

По думите на Гордън Томсън, „територията за разширение е разположена на север и юг от съществуващата инсталация“. Той добавя, че учените планират да получат $6,4 млн. от правителствата на САЩ и Япония в края на тази година и да завършат разширението през 2016 година.

Резултатите от изследването на учените са приети за печат в сп. Astrophysical Journal Letters.