Загадочное гамма-излучение

Фото: nsf / j. yang

Земля подвергается постоянной бомбардировке энергетическими частицами из космоса. Но где они набирают скорость, становясь намного энергичнее, чем частицы в самых мощных земных ускорителях? Последние наблюдения с помощью нейтринного телескопа в Антарктике показали, что виновником этого являются не гамма-всплески.

Космическое излучение, из которого постоянно исходит град энергетических частиц, обнаружено 100 лет назад австрийским физиком Виктором Ф. Гессом (Victor F. Hess). Он утверждал после измерений, сделанных во время полета на воздушном шаре, что на высоте возрастает не только электропроводность атмосферы, но и так называемое гамма-излучение. То, что Гесс называл космическими лучами, ныне известно как космическое излучение.

Гамма-всплески как источник  космического излучения

Некоторые ядра водорода (протоны) обладают таким же количеством энергии, как поданный с высокой скоростью теннисный мяч, хотя диаметр последнего в 40 триллионов раз больше. "Мы знаем, что есть такое высокоэнергетическое космическое излучение, но мы не знаем, откуда исходит", - объясняет исследователь DESY профессор Александер Каппес (Alexander Kappes), который с помощью нейтринного телескопа IceCube в Антарктике изучает происхождение космического излучения.

Частицы космического излучения имеют электрический заряд и под воздействием многих магнитных полей отклоняются от своего пути во Вселенной. Таким образом, невозможно рассчитать по направлению движения к Земле источник их происхождения. Перспективными кандидатами на роль источников высокоэнергетических частиц являются сверхмассивные черные дыры в центрах активных галактик и так называемые гамма-всплески (GRB).

"Гамма-всплески являются после Большого взрыва самыми мощными взрывами, которые нам известны во Вселенной", - сказал Каппес. Они на несколько секунд затмевают всю остальную вселенную в области гамма-излучения. Предполагают, что при длинных гамма-всплесках, вспыхивающих более чем на две секунды, происходит коллапс ядра массивной звезды в далекой галактике. В результате этого, в конце концов, возникает черная дыра.

Этот процесс позволит высвободить достаточно энергии, чтобы ускорить субатомные частицы космического излучения. При этом наряду с высокоэнергетическим атомным ядром должны возникать и призрачные элементарные частицы, сверхлегкие родственники электронов - нейтрино, которые проникают практически сквозь всё без помех. Однако для доказательства этого нужны огромные детекторы.

Поиск доказательств с помощью нейтринного телескопа IceCube

Фото: IceCube / DESY / idw

Нейтринный телескоп IceCube использует вечные льды Южного полюса как часть детектора. IceCube следит за крайне редкими столкновениями нейтрино с атомным ядром с помощью более 5 000 отдельных оптических датчиков, установленных примерно в кубическом километре антарктического льда на глубине до 2,5 км. Этот самый чувствительный в мире нейтринный телескоп дал возможность международной команде ученых IceCube исследовать с 2008 по 2010 год около 300 гамма-всплесков.

Если гамма-всплески являются источником высокоэнергетических космических частиц, то в результате вспышки должны достичь Земли не только гамма-лучи, но и нейтрино. Поскольку нейтрино являются электрически нейтральными, они не отклоняются магнитным полем. "Впервые мы имеем достаточно чувствительный инструмент, который предлагает новый взгляд на появление космических лучей и внутренних процессов гамма-всплесков", - подчеркивает представитель IceCube Грег Салливан (Greg Sullivan), профессор университета в американском штате Мэриленд.

Космическое излучение по-прежнему остается загадкой

Но IceCube в течение двух лет наблюдений не зафиксировал, как ни удивительно, ни одного нейтрино, появление которого можно было бы рассматривать как результат этих 300 вспышек, а гамма-излучение не стало ничуть менее загадочным, чем раньше.. "Из наблюдений следуют два предположения, - говорит Каппес. - Либо наши представления о том, что гамма-всплески являются основным источником высокоэнергетических космических лучей, не верны, либо наши вычислительные модели процессов, происходящих в гамма-всплесках, построены на ложных или упрощенных предположениях". В любом случае, сегодняшние модели возникновения космических лучей и нейтрино в результате гамма-всплесков должны быть переработаны.