Космические лучи сверхвысокой энергии
Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В физике астрофизики космические лучи сверхвысоких энергий ( КЛСВЭ ) — это космические лучи с энергией более 1 ЭэВ (10 18 электронвольт , примерно 0,16 Дж ), [1] далеко за пределами как массы покоя , так и энергий, типичных для других частицы космических лучей.

Космические лучи экстремальных энергий ( EECR ) — это UHECR с энергией, превышающей5 × 10 19  эВ (около 8  Дж ), так называемый предел Грейзена–Зацепина–Кузьмина (предел ГЗК). Этот предел должен быть максимальной энергией протонов космических лучей, которые прошли большие расстояния (около 160 миллионов световых лет), поскольку протоны с более высокой энергией потеряли бы энергию на этом расстоянии из-за рассеяния фотонов в космическом микроволновом фоне (CMB). Из этого следует, что EECR не могли быть оставшимися в живых из ранней Вселенной , а космологически «молодыми», испущенными где-то в Местном сверхскоплении каким-то неизвестным физическим процессом. Если EECR не протон, а ядро ​​с Aнуклонов, то предел ГЗК распространяется на его нуклоны, которые несут лишь долю 1 / А от полной энергии ядра. Для ядра железа соответствующий предел будет2,8 × 10 21  эВ . Однако процессы ядерной физики приводят к ограничениям для ядер железа, подобным ограничениям для протонов. Другие распространенные ядра должны иметь еще более низкие пределы.

Эти частицы чрезвычайно редки; в период с 2004 по 2007 год первые запуски обсерватории Пьера Оже (PAO) обнаружили 27 событий с оценочной энергией прихода выше5,7 × 10 19  эВ , то есть примерно одно такое событие каждые четыре недели на обследованной обсерваторией площади 3000 км 2 . [2]

Есть свидетельства того, что эти космические лучи с самой высокой энергией могут быть ядрами железа , а не протонами, из которых состоит большинство космических лучей. [3]

Предполагаемые (гипотетические) источники EECR известны как Зеватроны , названные по аналогии с Беватроном Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Тэватроном Фермилаборатории , и поэтому способны ускорять частицы до 1 ЗеВ (10 21  эВ, зетта-электронвольт). В 2004 году рассматривалась возможность того, что галактические джеты действуют как Зеватроны из-за диффузионного ускорения частиц, вызванного ударными волнами внутри джетов. В частности, модели предполагали, что ударные волны от соседней галактической струи M87 могут ускорять ядро ​​железа до диапазонов ZeV. [4] В 2007 году обсерватория Пьера Оже наблюдала корреляцию EECR с внегалактическими сверхмассивными черными дырами в центре близлежащих галактик, называемых активными ядрами галактик (АЯГ) . [5] Тем не менее, сила корреляции стала слабее с продолжением наблюдений. Чрезвычайно высокие энергии могут быть объяснены также центробежным механизмом ускорения [6] в магнитосферах АЯГ , хотя новые результаты показывают, что менее 40% этих космических лучей, по-видимому, исходят от АЯГ, что является гораздо более слабой корреляцией, чем сообщалось ранее. . [3] Более спекулятивное предположение Гриба и Павлова (2007, 2008) предусматривает распад сверхтяжелой темной материи с помощью процесса Пенроуза .

История наблюдений

См. Также: Обсерватория космических лучей .
Основная статья: частица «Боже мой »

Первое наблюдение частицы космических лучей с энергией, превышающейЭнергия 1,0 × 10 20  эВ (16 Дж) была получена доктором Джоном Д. Линсли и Ливио Скарси в ходе эксперимента Volcano Ranch в Нью-Мексико в 1962 году. [7] [8]

С тех пор наблюдались частицы космических лучей с еще более высокими энергиями. Среди них была частица Oh-My-God, наблюдаемая в ходе эксперимента Fly's Eye Университета штата Юта вечером 15 октября 1991 года над испытательным полигоном Дагуэй , штат Юта. Его наблюдение было шоком для астрофизиков , которые оценили его энергию приблизительно в3,2 × 10 20  эВ (50 Дж) [9] — другими словами, атомное ядро с кинетической энергией, равной энергии бейсбольного мяча (5 унций или 142 грамма), движущегося со скоростью около 100 километров в час (60 миль в час).

Энергия этой частицы примерно в 40 миллионов раз больше, чем у протонов с самой высокой энергией, которые были получены в любом земном ускорителе частиц . Однако только небольшая часть этой энергии будет доступна для взаимодействия с протоном или нейтроном на Земле, а большая часть энергии останется в виде кинетической энергии продуктов взаимодействия (см. Collider # Explanation ). Эффективная энергия, доступная для такого столкновения, представляет собой квадратный корень из двойного произведения энергии частицы и массовой энергии протона, что для этой частицы дает7,5 × 10 14  эВ , примерно в 50 раз больше энергии столкновения Большого адронного коллайдера .

С момента первого наблюдения с помощью детектора космических лучей Fly's Eye Университета Юты было зарегистрировано не менее пятнадцати подобных событий, подтверждающих это явление. Эти частицы космических лучей очень высокой энергии очень редки; энергия большинства частиц космических лучей находится между 10 МэВ и 10 ГэВ.

Обсерватории космических лучей сверхвысоких энергий

См. Также: Категория: Телескопы частиц высоких энергий и обсерватория космических лучей .
  • AGASA - Гигантский воздушный душ Akeno в Японии
  • Антарктическая импульсная переходная антенна (ANITA) обнаруживает космические нейтрино сверхвысоких энергий , которые, как считается, вызваны частицами космических лучей сверхвысоких энергий.
  • Космическая обсерватория Extreme Universe
  • GRAPES-3 (Гамма-астрономия PeV EnergieS, 3-е учреждение) — это проект по изучению космических лучей с помощью массива детекторов воздушных ливней и детекторов мюонов большой площади в Ути на юге Индии.
  • Детектор космических лучей Fly's Eye высокого разрешения (HiRes)
  • MARIACHI – Комбинированная установка для радиолокационных исследований космических лучей высокой ионизации, расположенная на Лонг-Айленде, США.
  • Обсерватория Пьера Оже
  • Проект массива телескопов
  • Якутская обширная воздушная ливневая решетка
  • Тункинский эксперимент
  • Проект COSMICi во Флоридском университете A&M разрабатывает технологию для распределенной сети недорогих детекторов ливней UHECR в сотрудничестве с MARIACHI .
  • Обсерватория чрезвычайно распределенных космических лучей (CREDO)

Обсерватория Пьера Оже

Основная статья: Обсерватория Пьера Оже

Обсерватория Пьера Оже — международная обсерватория космических лучей, предназначенная для обнаружения частиц космических лучей сверхвысоких энергий (с энергией выше 10 20  эВ). Эти высокоэнергетические частицы имеют расчетную скорость прибытия всего 1 на квадратный километр в столетие, поэтому, чтобы зарегистрировать большое количество этих событий, обсерватория Оже создала зону обнаружения в 3000 км 2 (размер Род-Айленда) . ) в провинции Мендоса на западе Аргентины . Обсерватория Пьера Оже, помимо получения информации о направлении от группы резервуаров с водой, используемых для наблюдения компонентов космических лучей, также имеет четыре телескопа, направленных на ночное небо для наблюдения флуоресценции .молекул азота , когда частицы ливня пересекают небо, что дает дополнительную информацию о направлении исходной частицы космических лучей.

В сентябре 2017 года данные 12-летних наблюдений из PAO подтвердили наличие внегалактического источника (за пределами земной галактики) происхождения космических лучей чрезвычайно высоких энергий. [10]

Предлагаемые объяснения

Нейтронные звезды

Одним из предполагаемых источников частиц КЛСВЭ является их происхождение от нейтронных звезд . В молодых нейтронных звездах с периодом вращения <10 мс магнитогидродинамические (МГД) силы со стороны квазинейтральной жидкости сверхпроводящих протонов и электронов, существующих в сверхтекучей нейтронной жидкости, ускоряют ядра железа до скоростей КЛСВЭ. Магнитное поле, создаваемое нейтронной сверхтекучей жидкостью в быстро вращающихся звездах, создает магнитное поле от 10 8 до 10 11 тесла, после чего нейтронная звезда классифицируется как магнетар .. Это магнитное поле является самым сильным стабильным полем в наблюдаемой Вселенной и создает релятивистский МГД-ветер, который, как считается, ускоряет ядра железа, оставшиеся от сверхновой, до необходимой энергии.

Другой предполагаемый источник КЛУВЭ от нейтронных звезд - это процесс сгорания нейтронной звезды в странную звезду . Эта гипотеза основана на предположении, что странная материя — это основное состояние материи, для которого нет экспериментальных или наблюдательных данных, подтверждающих это. Считается, что из-за огромного гравитационного давления нейтронной звезды небольшие очаги материи, состоящие из верхних , нижних и странных кварков, находящихся в равновесии, действуют как единый адрон (в отличие от множестваΣ0барионы ). Это затем сожжет всю звезду до состояния странной материи, после чего нейтронная звезда станет странной звездой, а ее магнитное поле разрушится, что происходит из-за того, что протоны и нейтроны в квазинейтральной жидкости превратились в странные . Этот пробой магнитного поля испускает электромагнитные волны большой амплитуды (LAEMW). LAEMW ускоряют остатки легких ионов от сверхновой до энергий UHECR.

« Электроны космических лучей сверхвысокой энергии » (определяемые как электроны с энергиями ≥10 14 эВ ) могут быть объяснены центробежным механизмом ускорения в магнитосферах крабоподобных пульсаров . [11] Возможность ускорения электронов до этой шкалы энергий в магнитосфере Крабовидного пульсара подтверждается наблюдением в 2019 году гамма-лучей сверхвысоких энергий , исходящих из Крабовидной туманности , молодого пульсара с периодом вращения 33 мс. [12]

Активные галактические ядра

Взаимодействия с космическим микроволновым фоновым излучением с синим смещением ограничивают расстояние, которое эти частицы могут пройти, прежде чем потеряют энергию; это известно как предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина или предел ГЗК.

Источник таких высокоэнергетических частиц долгие годы оставался загадкой. Недавние результаты обсерватории Пьера Оже показывают, что направления прихода космических лучей сверхвысоких энергий, по-видимому, коррелируют с внегалактическими сверхмассивными черными дырами в центре близлежащих галактик, называемых активными галактическими ядрами (АЯГ) . [5] Однако, поскольку используемая шкала угловой корреляции довольно велика (3,1°), эти результаты не позволяют однозначно определить происхождение таких частиц космических лучей. AGN может быть просто тесно связан с реальными источниками, например, в галактиках или других астрофизических объектах, которые сгущены материей в больших масштабах в пределах 100 мегапарсеков . [ нужна ссылка ]

Известно, что некоторые из сверхмассивных черных дыр в АЯГ вращаются, как, например, в сейфертовской галактике MCG 6-30-15 [13] с изменчивостью во времени их внутренних аккреционных дисков. [14] Спин черной дыры является потенциально эффективным фактором, стимулирующим производство КЛУВЭ, [15] при условии, что ионы соответствующим образом запущены, чтобы обойти ограничивающие факторы глубоко внутри галактического ядра, в частности излучение кривизны [16]неупругое рассеяние на излучении внутреннего диска. Перемежающиеся сейфертовские галактики с низкой светимостью могут соответствовать требованиям с образованием линейного ускорителя в нескольких световых годах от ядра, но в пределах их протяженных ионных торов, УФ-излучение которых обеспечивает поступление ионных загрязнителей. [17] Соответствующие электрические поля малы, порядка 10 В/см, поэтому наблюдаемые КЛУВЭ указывают на астрономические размеры источника. Улучшенная статистика обсерватории Пьера Оже будет способствовать выявлению предполагаемой в настоящее время связи UHECR (из Местной Вселенной) с сейфертами и LINER . [18]

Другие возможные источники частиц

Другими возможными источниками UHECR являются:

  • радиооблака мощных радиогалактик
  • межгалактические толчки, возникшие в эпоху образования галактик
  • гиперновые [19]
  • релятивистские сверхновые [20]
  • гамма-всплески [21] [22]
  • продукты распада сверхмассивных частиц из топологических дефектов , оставшиеся от фазовых переходов в ранней Вселенной
  • частиц, испытывающих эффект Пенроуза .
  • Преон звезды [23]

Связь с темной материей

Основная статья: Темная материя

Предполагается, что активные ядра галактик способны преобразовывать темную материю в протоны высокой энергии. Юрий Павлов и Андрей Гриб из Лаборатории теоретической физики Александра Фридмана в Санкт-Петербурге выдвинули гипотезу о том, что частицы темной материи примерно в 15 раз тяжелее протонов и что они могут распадаться на пары более тяжелых виртуальных частиц того типа, который взаимодействует с обычной материей. [24] Рядом с активным галактическим ядром одна из этих частиц может упасть в черную дыру, а другая улететь, как описано в процессе Пенроуза .. Некоторые из этих частиц будут сталкиваться с приближающимися частицами; это столкновения очень высоких энергий, которые, по Павлову, могут образовывать обычные видимые протоны с очень высокой энергией. Затем Павлов утверждает, что свидетельством таких процессов являются частицы космических лучей сверхвысоких энергий. [25]

Смотрите также

  • Внегалактические космические лучи
  • Ионы HZE  - высокоэнергетические тяжелые ионы космического происхождения.
  • Солнечные энергетические частицы  - Высокоэнергетические частицы Солнца.
  • Частица Oh-My-God  - космический луч сверхвысокой энергии, обнаруженный в 1991 году.

использованная литература

  1. ^ Алвес Батиста, Рафаэль; Бито, Джонатан; Бустаманте, Маурисио; Долаг, Клаус; Энгель, Ральф; Фанг, Ке; Камперт, Карл-Хайнц; Костунин, Дмитрий; Мостафа, Мигель; Мурасе, Кохта; Ойконому, Фотейни; Олинто, Анджела В .; Панасюк, Михаил И.; Зигл, Гюнтер; Тейлор, Эндрю М .; Унгер, Майкл. «Открытые вопросы исследования космических лучей при сверхвысоких энергиях». Границы астрономии и космических наук . 6 : 23. arXiv : 1903.06714 . doi : 10.3389/fspas.2019.00023 .
  2. ^ Уотсон, LJ; Мортлок, ди-джей; Джаффе, А.Х. (2011). «Байесовский анализ 27 космических лучей с самой высокой энергией, обнаруженных обсерваторией Пьера Оже». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 418 (1): 206–213. архив : 1010.0911 . Бибкод : 2011MNRAS.418..206W . doi : 10.1111/j.1365-2966.2011.19476.x . S2CID 119068104 . 
  3. ^ a b Hand, E (22 февраля 2010 г.). «Теория космических лучей разгадывается» . Природа . 463 (7284): 1011. doi : 10.1038/4631011a . PMID 20182484 . 
  4. ^ Хонда, М .; Хонда, ЮС (2004). «Нитьевые струи как космический луч «Зеватрон»". The Astrophysical Journal Letters . 617 (1): L37–L40. arXiv : astro-ph/0411101 . Бибкод : 2004ApJ...617L..37H . doi : 10.1086/427067 . S2CID  11338689 .
  5. ^ a b Сотрудничество Пьера Оже ; Абреу; Альетта; Агирре; Аллард; Аллекотте; Аллен; Эллисон; Альварес; Альварес-Мунис; Амбросио; Анкордоки; Андринга; Анзалон; Арамо; Аргиро; Арисака; Арменго; Арнеодо; Аркерос; Аш; Асори; Ассис; Атулугама; Облин; пр; Авила; Покровитель; Баданьяни; и другие. (2007). «Корреляция космических лучей наивысшей энергии с близлежащими внегалактическими объектами». Наука . 318 (5852): 938–943. архив : 0711.2256 . Бибкод : 2007Sci...318..938P . doi : 10.1126/science.1151124 . PMID 17991855 . S2CID 118376969  .
  6. ^ Османов, З .; Махаджан, С .; Мачабели, Г.; Чхеидзе, Н. (2014). «Чрезвычайно эффективный Зеватрон во вращающихся магнитосферах АЯГ». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 445 (4): 4155–4160. архив : 1404.3176 . Бибкод : 2014MNRAS.445.4155O . doi : 10.1093/mnras/stu2042 . S2CID 119195822 . 
  7. ^ Линсли, Дж. (1963). «Доказательства существования первичной частицы космических лучей с энергией 10 20 эВ». Физические обзорные письма . 10 (4): 146–148. Бибкод : 1963PhRvL..10..146L . doi : 10.1103/PhysRevLett.10.146 .
  8. ^ Сакар, С. (1 сентября 2002 г.). «Может ли быть близок конец космическим лучам сверхвысоких энергий?» . Физический мир . стр. 23–24 . Проверено 21 июля 2014 г. .
  9. ^ Баэз, JC (июль 2012 г.). «Открытые вопросы физики» . ДЕЗИ . Проверено 21 июля 2014 г. .
  10. ^ «Исследование подтверждает, что космические лучи имеют внегалактическое происхождение» . Eurekalert! . Проверено 22 сентября 2017 г. .
  11. ^ Махаджан Свадеш, Мачабели Джордж, Османов Заза и Чхеидзе Нино. Научные отчеты, том 3, ид. 1262 (2013)
  12. ↑ Аменомори , М. (13 июня 2019 г.). «Первое обнаружение фотонов с энергией более 100 ТэВ от астрофизического источника» . физ. Преподобный Летт . 123 (5): 051101. arXiv : 1906.05521 . Бибкод : 2019PhRvL.123e1101A . doi : 10.1103/PhysRevLett.123.051101 . PMID 31491288 . S2CID 189762075 . Проверено 8 июля 2019 г. .  
  13. ^ Танака, Ю.; и другие. (1995). «Излучение с гравитационным красным смещением, подразумевающее аккреционный диск и массивную черную дыру в активной галактике MCG-6-30-15». Природа . 375 (6533): 659–661. Бибкод : 1995Natur.375..659T . дои : 10.1038/375659a0 . S2CID 4348405 . 
  14. ^ Ивасава, К .; и другие. (1996). «Переменная линия эмиссии железа К в МКГ-6-30-15». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 282 (3): 1038–1048. arXiv : astro-ph/9606103 . Бибкод : 1996MNRAS.282.1038I . doi : 10.1093/mnras/282.3.1038 .
  15. ^ Болдт, Э .; Гош, П. (1999). «Космические лучи от остатков квазаров?». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 307 (3): 491–494. arXiv : astro-ph/9902342 . Бибкод : 1999MNRAS.307..491B . doi : 10.1046/j.1365-8711.1999.02600.x . S2CID 14628933 . 
  16. ^ Левинсон, А. (2000). «Ускорение частиц и кривизна излучения ТэВ вращающимися сверхмассивными черными дырами». Физические обзорные письма . 85 (5): 912–915. Бибкод : 2000PhRvL..85..912L . doi : 10.1103/PhysRevLett.85.912 . PMID 10991437 . 
  17. ^ ван Путтен, MHPM; Гупта, AC (2009). «Нетепловые переходные источники от вращающихся черных дыр». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 394 (4): 2238–2246. архив : 0901.1674 . Бибкод : 2009МНРАС.394.2238В . doi : 10.1111/j.1365-2966.2009.14492.x . S2CID 3036558 . 
  18. ^ Москаленко, И.В.; Ставарц, Л.; Портер, Т.А.; Чунг, К.-К. (2009). «О возможной ассоциации космических лучей сверхвысоких энергий с соседними активными галактиками». Астрофизический журнал . 63 (2): 1261–1267. архив : 0805.1260 . Бибкод : 2009ApJ...693.1261M . дои : 10.1088/0004-637X/693/2/1261 . S2CID 9378800 . 
  19. ^ Ван, XY; Раззак, С.; Месарош, П.; Дай, З.-Г. (2007). «Космические лучи высоких энергий и нейтрино от полурелятивистских гиперновых». Физический обзор D. 76 (8): 083009. arXiv : 0705.0027 . Бибкод : 2007PhRvD..76h3009W . doi : 10.1103/PhysRevD.76.083009 . S2CID 119626781 . 
  20. ^ Чакраборти, С .; Рэй, А .; Содерберг, А.М.; Леб, А .; Чандра, П. (2011). «Ускорение космических лучей сверхвысоких энергий в релятивистских сверхновых с двигателями». Связь с природой . 2 : 175. архив : 1012.0850 . Бибкод : 2011NatCo...2..175C . doi : 10.1038/ncomms1178 . PMID 21285953 . S2CID 12490883 .  
  21. ^ Ваксман, Э. (1995). «Космологические гамма-всплески и космические лучи высочайшей энергии». Физические обзорные письма . 75 (3): 386–389. arXiv : astro-ph/9505082 . Бибкод : 1995PhRvL..75..386W . doi : 10.1103/PhysRevLett.75.386 . PMID 10060008 . S2CID 9827099 .  
  22. ^ Милгром, М .; Усов, В. (1995). «Возможная ассоциация событий космических лучей сверхвысоких энергий с сильными гамма-всплесками». Письма из астрофизического журнала . 449 : L37. arXiv : astro-ph/9505009 . Бибкод : 1995ApJ...449L..37M . дои : 10.1086/309633 . S2CID 118923079 . 
  23. ^ Ханссон, Дж; Сандин, Ф. (2005). «Преонные звезды: новый класс космических компактных объектов». Буквы по физике Б. 616 (1–2): 1–7. arXiv : astro-ph/0410417 . Бибкод : 2005PhLB..616....1H . doi : 10.1016/j.physletb.2005.04.034 . S2CID 119063004 . 
  24. ^ Гриб, А.А.; Павлов, Ю. В. (2009). «Активные ядра галактик и превращение темной материи в видимую материю». Гравитация и космология . 15 (1): 44–48. архив : 0810.1724 . Бибкод : 2009GrCo...15...44G . doi : 10.1134/S0202289309010125 . S2CID 13867079 . 
  25. ^ Гриб, А.А.; Павлов, Ю. В. (2008). «Превращают ли активные галактические ядра темную материю в видимые частицы?». Письма о современной физике А. 23 (16): 1151–1159. архив : 0712.2667 . Бибкод : 2008MPLA...23.1151G . doi : 10.1142/S0217732308027072 . S2CID 14457527 . 

дальнейшее чтение

  • Эльберт, JW; Соммерс, П. (1995). «В поисках источника космических лучей Fly's Eye 320 ЭэВ». Астрофизический журнал . 441 (1): 151–161. arXiv : astro-ph/9410069 . Бибкод : 1995ApJ...441..151E . дои : 10.1086/175345 . S2CID  15510276 .
  • Клэй, Р.; Доусон, Б. (1997). Космические пули: частицы высоких энергий в астрофизике . Книги Персея . ISBN 978-0-7382-0139-9.
  • Сейф, К. (2000). «Глаз Мухи шпионит за максимумами космических лучей». Наука . 288 (5469): 1147–1149. doi : 10.1126/science.288.5469.1147a . PMID  10841723 . S2CID  117341691 .
  • Сотрудничество Пьера Оже ; Абреу; Альетта; Агирре; Аллард; Аллекотте; Аллен; Эллисон; Альварес; Альварес-Мунис; Амбросио; Анкордоки; Андринга; Анзалон; Арамо; Аргиро; Арисака; Арменго; Арнеодо; Аркерос; Аш; Асори; Ассис; Атулугама; Облин; пр; Авила; Покровитель; Баданьяни; и другие. (2007). «Корреляция космических лучей наивысшей энергии с близлежащими внегалактическими объектами». Наука . 318 (5852): 938–943. архив : 0711.2256 . Бибкод : 2007Sci...318..938P . doi : 10.1126/science.1151124 . PMID 17991855 . S2CID 118376969 .  

внешняя ссылка

  • Частица с самой высокой энергией из когда-либо зарегистрированных Детали события с официального сайта детектора Fly's Eye.
  • Живой анализ Джона Уокера событий 1991 года , опубликованный в 1994 году .
  • Определение происхождения энергичных космических частиц , Марк Пеплоу для [email protected], опубликовано 13 января 2005 г.
Получено с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ultra-high-energy_cosmic_ray&oldid=1064798945 "
Contribute a better translation