Космические лучи сверхвысокой энергии - Ultra-high-energy cosmic ray

В физика астрономических частиц, космические лучи сверхвысокой энергии (UHECR) это космический луч с энергией более 1 ЭэВ (1018 электронвольт, примерно 0,16 джоули ), далеко за пределами масса покоя и энергии, типичные для других частиц космических лучей.

An космические лучи экстремальной энергии (EECR) - КЛСВЭ с энергией, превышающей 5×1019 эВ (около 8джоуль ), так называемой Предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина. (Лимит GZK). Этим пределом должна быть максимальная энергия протонов космических лучей, которые прошли большие расстояния (около 160 миллионов световых лет), поскольку протоны с более высокой энергией теряли бы энергию на этом расстоянии из-за рассеяния на фотонах в космический микроволновый фон (CMB). Отсюда следует, что EECR не могли выжить из ранняя вселенная, но космологически «молодые», испускаются где-то в Местное сверхскопление каким-то неизвестным физическим процессом. Если EECR - это не протон, а ядро ​​с А нуклонов, то предел GZK применяется к его нуклонам, которые несут только часть 1/А полной энергии ядра. Для ядра железа соответствующий предел будет 2.8×1021 эВ. Однако процессы ядерной физики приводят к ограничениям для ядер железа, аналогичным пределам для протонов. Другие распространенные ядра должны иметь еще более низкие пределы.

Эти частицы крайне редки; в период с 2004 по 2007 гг. Обсерватория Пьера Оже (PAO) обнаружил 27 событий с расчетной энергией прихода выше 5.7×1019 эВ, то есть примерно одно такое событие каждые четыре недели на 3000 км2 территория обсерватории.[1]

Есть свидетельства того, что космические лучи самых высоких энергий могут быть ядра железа, а не протоны, которые составляют большинство космических лучей.[2]

Постулируемые (гипотетические) источники EECR известны как Зеватроны, названный по аналогии с Национальная лаборатория Лоуренса Беркли с Беватрон и Фермилаб с Теватрон, и, следовательно, способны ускорять частицы до 1 ЗэВ (1021 эВ, дзетта-электронвольт). В 2004 г. рассматривалась возможность галактические джеты действуя как зеватроны, из-за диффузионного ускорения частиц, вызванного ударными волнами внутри струй. В частности, модели предполагали, что ударные волны от ближайшего M87 галактическая струя может ускорить ядро ​​железа до ZeV-диапазона.[3] В 2007 году обсерватория Пьера Оже наблюдала корреляцию EECR с внегалактическими сверхмассивными черными дырами в центре близлежащих галактик, названных активные галактические ядра (AGN).[4] Однако по мере продолжения наблюдений сила корреляции стала слабее. Чрезвычайно высокие энергии можно объяснить также центробежный механизм разгона [5] в магнитосфере AGN, хотя более новые результаты показывают, что менее 40% этих космических лучей, по-видимому, исходят от AGN, что является гораздо более слабой корреляцией, чем сообщалось ранее.[2] Более спекулятивное предположение Гриба и Павлова (2007, 2008) предусматривает распад сверхтяжелой энергии. темная материя с помощью Процесс Пенроуза.

История наблюдений

Смотрите также: Обсерватория космических лучей
Основная статья: О-мой-Бог частица

Первое наблюдение частицы космических лучей с энергией более 1.0×1020 эВ (16 Дж) был сделан доктором Джон Д. Линсли и Ливио Скарси на Вулкан Ранч эксперимент в Нью-Мексико в 1962 году.[6][7]

С тех пор наблюдались частицы космических лучей с еще более высокими энергиями. Среди них был О-мой-Бог частица наблюдаемый в Университете штата Юта в ходе эксперимента Fly's Eye вечером 15 октября 1991 г. Дугвей испытательный полигон, Юта. Его наблюдение было шоком для астрофизики, который оценил его энергию примерно в 3.2×1020 эВ (50 Дж)[8]- другими словами, атомное ядро с кинетической энергией, равной кинетической энергии бейсбол (5 унций или 142 грамма) при движении со скоростью около 100 километров в час (60 миль в час).

Энергия этой частицы примерно в 40 миллионов раз больше, чем у протонов с наивысшей энергией, которые производились на Земле. ускоритель частиц. Однако лишь 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. Коллайдер # Пояснение ). Эффективная энергия, доступная для такого столкновения, представляет собой квадратный корень из двойного произведения энергии частицы и энергии массы протона, что для этой частицы дает 7.5×1014 эВ, примерно в 50 раз больше энергии столкновения Большой адронный коллайдер.

Начиная с первого наблюдения, Университет Юты с Детектор космических лучей Fly's Eye зафиксировано не менее пятнадцати подобных событий, подтверждающих это явление. Эти частицы космических лучей очень высоких энергий очень редки; энергия большинства частиц космических лучей составляет от 10 МэВ до 10 ГэВ.

Обсерватории космических лучей сверхвысоких энергий

Смотрите также: Категория: Телескопы с частицами высоких энергий и Обсерватория космических лучей

Обсерватория Пьера Оже

Основная статья: Обсерватория Пьера Оже

Обсерватория Пьера Оже - международная обсерватория космических лучей, предназначенная для обнаружения частиц космических лучей сверхвысокой энергии (с энергией выше 1020 эВ). По оценкам, скорость прибытия этих высокоэнергетических частиц составляет всего 1 на квадратный километр в столетие, поэтому для регистрации большого количества этих событий Обсерватория Оже создала зону обнаружения в 3000 км.2 (размер Род-Айленд ) в Провинция Мендоса, западный Аргентина. Обсерватория Пьера Оже, помимо получения информации о направлении от группы резервуаров с водой, используемых для наблюдения за компонентами космического ливня, также имеет четыре телескопа, нацеленных на ночное небо, чтобы наблюдать флуоресценция из азот молекул, когда частицы ливня пересекают небо, давая дополнительную информацию о направлении исходной частицы космических лучей.

В сентябре 2017 года данные 12-летних наблюдений из PAO подтвердили внегалактический источник (за пределами галактики Земли), являющийся источником космических лучей чрезвычайно высоких энергий.[9]

Предлагаемые объяснения

Нейтронные звезды

Одним из предполагаемых источников частиц КЛЛВЭ является их происхождение от нейтронные звезды. У молодых нейтронных звезд с периодами вращения <10 мс магнитогидродинамические (МГД) силы из квазинейтральной жидкости сверхпроводящих протонов и электронов, существующей в нейтроне сверхтекучий ускорять ядра железа до скоростей КЛПВЭ. Магнитное поле, создаваемое нейтронной сверхтекучей жидкостью в быстро вращающихся звездах, создает магнитное поле 108 до 1011 тесласа, 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 КЛСВЭ от нейтронных звезд - во время полета нейтронной звезды. странная звезда горение. Эта гипотеза основана на предположении, что странное дело это основное состояние материи, которая не имеет экспериментальных или наблюдательных данных, подтверждающих это. Из-за огромного гравитационного давления нейтронной звезды считается, что небольшие карманы материи, состоящие из вверх, вниз, и странный кварков, находящихся в равновесии, действующих как один адрон (в отличие от множества
Σ0
 барионы ). Это затем превратит всю звезду в странную материю, и в этот момент нейтронная звезда станет странной звездой, а ее магнитное поле разрушится, что происходит из-за того, что протоны и нейтроны в квазинейтральной жидкости стали странники. Этот пробой магнитного поля высвобождает электромагнитные волны большой амплитуды (LAEMW). LAEMW ускоряют остатки легких ионов от сверхновой до энергий КЛУВЭ.

Электроны космических лучей очень высоких энергий можно объяснить Центробежный механизм ускорения в магнитосферах Краб -подобно Пульсары.[10]

Это подтверждается наблюдением в 2019 г. космических лучей с энергией более 100 ТэВ, исходящих от Крабовидная туманность, молодой пульсар с периодом вращения 33 мс.[11]

Активные галактические ядра

Взаимодействие с сине-смещенный космическое микроволновое фоновое излучение ограничить расстояние, которое эти частицы могут пройти до потери энергии; это известно как Предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина. или лимит GZK.

Источник таких высокоэнергетических частиц оставался загадкой на протяжении многих лет. Недавние результаты обсерватории Пьера Оже показывают, что направления прихода космических лучей сверхвысоких энергий коррелируют с внегалактическими сверхмассивными черными дырами в центре близлежащих галактик, которые называются активные галактические ядра (AGN).[4] Однако, поскольку использованный масштаб угловой корреляции довольно велик (3,1 °), эти результаты не позволяют однозначно определить происхождение таких частиц космических лучей. AGN может быть просто тесно связано с реальными источниками, например, в галактиках или других астрофизических объектах, которые сгруппированы с веществом в больших масштабах в пределах 100 мегапарсек.[нужна цитата ]

Несколько из сверхмассивные черные дыры в AGN вращаются, как в Сейфертовская галактика MCG 6-30-15[12] с изменчивостью во времени в их внутренних аккреционных дисках.[13] Вращение черной дыры - потенциально эффективный агент для стимулирования производства КЛУВЭ.[14] при условии, что ионы запускаются надлежащим образом, чтобы обойти ограничивающие факторы глубоко в ядре галактики, в частности излучение кривизны[15] и неупругое рассеяние на излучении внутреннего диска. Периодические сейфертовские галактики с низкой светимостью могут удовлетворить требования, создав линейный ускоритель на расстоянии нескольких световых лет от ядра, но внутри протяженных ионных торов, УФ-излучение которых обеспечивает поступление ионных примесей.[16] Соответствующие электрические поля малы, порядка 10 В / см, в результате чего наблюдаемые КЛСВЭ указывают на астрономические размеры источника. Улучшенные статистические данные обсерватории Пьера Оже будут способствовать выявлению предполагаемой в настоящее время ассоциации КЛСВЭ (из Местной Вселенной) с Сейфертами и ЛАЙНЕРЫ.[17]

Другие возможные источники частиц

Другими возможными источниками UHECR являются:

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 предполагают, 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.[23] Вблизи активного ядра галактики одна из этих частиц может упасть в черную дыру, а другая ускользнуть, как описано в Процесс Пенроуза. Некоторые из этих частиц будут сталкиваться с входящими частицами; это столкновения очень высоких энергий, которые, согласно Павлову, могут образовывать обычные видимые протоны с очень высокой энергией. Затем Павлов утверждает, что свидетельством таких процессов являются частицы космических лучей сверхвысоких энергий.[24] Частицы космических лучей сверхвысоких энергий могут также образовываться в результате распада сверхтяжелых «X-частиц» темной материи.[25] Такие как Дыры.[26][27] Считается, что такие очень энергичные продукты распада, несущие часть массы X-частицы, являются правдоподобным объяснением наблюдаемых космических лучей сверхвысокой энергии (КЛУВЭ).

Частицы космических лучей высоких энергий, пересекающие межгалактическое пространство, страдают от ГЗК отсечка выше 1020 эВ из-за взаимодействия с космическим фоновым излучением, если первичные частицы космических лучей являются протонами или ядрами. В Пьер Оже Проект, HiRes и Якутск Обширный воздушный душ нашла отсечку ГЗК, а Акено-АГАСА наблюдали события выше границы (11 событий за последние 10 лет). Результат эксперимента Akeno-AGASA гладкий вблизи энергии отсечки GZK. Если предположить, что результат Akeno-AGASA верен, и рассмотреть его значение, возможным объяснением данных AGASA о нарушении обрезания GZK будет ливень, вызванный частицами темной материи. Частица темной материи не ограничивается обрезанием ГЗК, поскольку она слабо взаимодействует с космическим фоновым излучением. Недавние измерения, проведенные в рамках проекта Pierre Auger Project, обнаружили корреляцию между направлением частиц космических лучей высоких энергий и местоположением AGN.[28]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Watson, L.J .; Мортлок, Д. Дж .; Яффе, А. Х. (2011). «Байесовский анализ 27 космических лучей высочайшей энергии, обнаруженных обсерваторией Пьера Оже». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 418 (1): 206–213. arXiv:1010.0911. Bibcode:2011МНРАС.418..206W. Дои:10.1111 / j.1365-2966.2011.19476.x. S2CID  119068104.
  2. ^ а б Hand, E (22 февраля 2010 г.). "Теория космических лучей рушится". Природа. 463 (7284): 1011. Дои:10.1038 / 4631011a. PMID  20182484.
  3. ^ Honda, M .; Хонда, Ю. С. (2004). "Нитевидные струи как космические лучи" Зеватрон"". Письма в астрофизический журнал. 617 (1): L37 – L40. arXiv:Astro-ph / 0411101. Bibcode:2004ApJ ... 617L..37H. Дои:10.1086/427067. S2CID  11338689.
  4. ^ а б Коллаборация Пьера Оже; Абреу; Аглиетта; Агирре; Аллард; Аллекотте; Аллен; Эллисон; Альварес; Альварес-Мунис; Амбросио; Анкордоки; Андринга; Анзалоне; Арамо; Аргиро; Арисака; Арменго; Арнеодо; Аркерос; Asch; Асорей; Ассис; Атулугама; Облин; Ave; Авила; Сторонник; Бадагнани; и другие. (2007). «Корреляция космических лучей высших энергий с близлежащими внегалактическими объектами». Наука. 318 (5852): 938–943. arXiv:0711.2256. Bibcode:2007Научный ... 318..938П. Дои:10.1126 / science.1151124. PMID  17991855. S2CID  118376969.
  5. ^ Османов, З .; Mahajan, S .; Machabeli, G .; Чхеидзе, Н. (2014). «Чрезвычайно эффективный зеватрон во вращающихся магнитосферах AGN». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 445 (4): 4155–4160. arXiv:1404.3176v3. Дои:10.1093 / mnras / stu2042. S2CID  119195822.
  6. ^ Линсли, Дж. (1963). "Доказательства наличия первичной частицы космического излучения с энергией 1020 эВ ». Письма с физическими проверками. 10 (4): 146–148. Bibcode:1963ПхРвЛ..10..146Л. Дои:10.1103 / PhysRevLett.10.146.
  7. ^ Сакар, С. (1 сентября 2002 г.). "Может ли быть близок конец космическим лучам сверхвысоких энергий?". Мир физики. стр. 23–24. Получено 2014-07-21.
  8. ^ Баэз, Дж. К. (июль 2012 г.). «Открытые вопросы по физике». DESY. Получено 2014-07-21.
  9. ^ «Исследование подтверждает, что космические лучи имеют внегалактическое происхождение». EurekAlert!. Получено 2017-09-22.
  10. ^ Махаджан Сводеш, Мачабели Георгий, Османов Заза и Чхеидзе Нино. Научные отчеты, Том 3, там же. 1262 (2013)
  11. ^ Аменомори, М. (13 июня 2019 г.). «Первое обнаружение фотонов с энергией выше 100 ТэВ от астрофизического источника». Phys. Rev. Lett. 123 (5): 051101. arXiv:1906.05521. Bibcode:2019PhRvL.123e1101A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.123.051101. PMID  31491288. S2CID  189762075. Получено 8 июля 2019.
  12. ^ Tanaka, Y .; и другие. (1995). «Излучение с гравитационным смещением в красную область, подразумевающее аккреционный диск и массивную черную дыру в активной галактике MCG-6-30-15». Природа. 375 (6533): 659–661. Bibcode:1995Натура 375..659T. Дои:10.1038 / 375659a0. S2CID  4348405.
  13. ^ Iwasawa, K .; и другие. (1996). «Линия эмиссии переменного калия железа в МКГ-6-30-15». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 282 (3): 1038–1048. arXiv:astro-ph / 9606103. Bibcode:1996МНРАС.282.1038И. Дои:10.1093 / mnras / 282.3.1038.
  14. ^ Boldt, E .; Гош, П. (1999). «Космические лучи от остатков квазаров?». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 307 (3): 491–494. arXiv:Astro-ph / 9902342. Bibcode:1999МНРАС.307..491Б. Дои:10.1046 / j.1365-8711.1999.02600.x. S2CID  14628933.
  15. ^ Левинсон, А. (2000). "Ускорение и кривизна частиц в ТэВ излучении вращающимися сверхмассивными черными дырами". Письма с физическими проверками. 85 (5): 912–915. Bibcode:2000ПхРвЛ..85..912Л. Дои:10.1103 / PhysRevLett.85.912. PMID  10991437.
  16. ^ ван Путтен, М. Х. П. М .; Гупта, А. С. (2009). «Нетепловые переходные источники из вращающихся черных дыр». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 394 (4): 2238–2246. arXiv:0901.1674. Bibcode:2009МНРАС.394.2238В. Дои:10.1111 / j.1365-2966.2009.14492.x. S2CID  3036558.
  17. ^ Москаленко, И. В .; Stawarz, L .; Портер, Т. А .; Cheung, C.-C. (2009). «О возможной ассоциации космических лучей сверхвысоких энергий с близлежащими активными галактиками». Астрофизический журнал. 63 (2): 1261–1267. arXiv:0805.1260. Bibcode:2009ApJ ... 693.1261M. Дои:10.1088 / 0004-637X / 693/2/1261. S2CID  9378800.
  18. ^ Wang, X.-Y .; Razzaque, S .; Meszaros, P .; Дай, З.-Г. (2007). «Космические лучи высоких энергий и нейтрино от полирелятивистских гиперновых». Физический обзор D. 76 (8): 083009. arXiv:0705.0027. Bibcode:2007ПхРвД..76х3009Вт. Дои:10.1103 / PhysRevD.76.083009. S2CID  119626781.
  19. ^ Chakraborti, S .; Ray, A .; Содерберг, А. М .; Loeb, A .; Чандра, П. (2011). «Ускорение космических лучей сверхвысоких энергий в релятивистских сверхновых с приводом от двигателя». Nature Communications. 2: 175. arXiv:1012.0850. Bibcode:2011НатКо ... 2..175С. Дои:10.1038 / ncomms1178. PMID  21285953. S2CID  12490883.
  20. ^ Ваксман, Э. (1995). «Космологические гамма-всплески и космические лучи высшей энергии». Письма с физическими проверками. 75 (3): 386–389. arXiv:Astro-ph / 9505082. Bibcode:1995PhRvL..75..386W. Дои:10.1103 / PhysRevLett.75.386. PMID  10060008. S2CID  9827099.
  21. ^ Milgrom, M .; Усов, В. (1995). «Возможная ассоциация событий космических лучей сверхвысоких энергий с сильными гамма-всплесками». Письма в астрофизический журнал. 449: L37. arXiv:Astro-ph / 9505009. Bibcode:1995ApJ ... 449L..37M. Дои:10.1086/309633. S2CID  118923079.
  22. ^ Hansson, J; Сандин, Ф (2005). «Преонные звезды: новый класс космических компактных объектов». Письма по физике B. 616 (1–2): 1–7. arXiv:Astro-ph / 0410417. Bibcode:2005ФЛБ..616 .... 1Ч. Дои:10.1016 / j.physletb.2005.04.034. S2CID  119063004.
  23. ^ Гриб, А. А .; Павлов, Ю. В. (2009). «Активные ядра галактик и превращение темной материи в видимую материю». Гравитация и космология. 15 (1): 44–48. arXiv:0810.1724. Bibcode:2009GrCo ... 15 ... 44G. Дои:10.1134 / S0202289309010125. S2CID  13867079.
  24. ^ Гриб, А. А .; Павлов, Ю. В. (2008). «Превращают ли активные галактические ядра темную материю в видимые частицы?». Буквы A по современной физике. 23 (16): 1151–1159. arXiv:0712.2667. Bibcode:2008MPLA ... 23.1151G. Дои:10.1142 / S0217732308027072. S2CID  14457527.
  25. ^ Барбот, К. (2002). «Космические лучи сверхвысокой энергии от распада сверхтяжелых рентгеновских частиц». arXiv:hep-ph / 0210280.
  26. ^ Чавда, Л. К .; Чавда, А. Л. (2002). «Темная материя и устойчивые связанные состояния первичных черных дыр». Классическая и квантовая гравитация. 19 (11): 2927–2938. arXiv:gr-qc / 0308054. Bibcode:2002CQGra..19.2927C. Дои:10.1088/0264-9381/19/11/311.
  27. ^ Chavda, A. L .; Чавда, Л. К. (2008). "Космические лучи сверхвысоких энергий от распада дырок в гало галактик". arXiv:0806.0454 [Physics.gen-ph ].
  28. ^ Томодзава, Ю. (2008). «Поиск частицы темной материи в космических лучах высоких энергий». arXiv:0804.1499 [астрофизик ].

дальнейшее чтение

внешняя ссылка