Изредка ученые регистрируют частицы космических лучей с почти световой скоростью и огромной энергией, которая во много миллионов раз больше достижимой на Большом адронном коллайдере. Теперь группа европейских исследователей полагает, что нашла как минимум один из их источников.
В 1991 году в штате Юта зарегистрировали падение частицы с энергией в 320 квинтиллионов электронвольт. Это примерно как у теннисного мячика, отправленного рукой спортсмена-профессионала, с той только разницей, что частица была субатомной. Микроскопические объекты почти никогда не имеют энергии макроскопических, а эта конкретная была настолько энергичной, что ее скорость движения оценили в 0,9999999999999999999999951 скорости света. Неудивительно, что ее назвали «О мой Бог!».
Еще одна очень существенна проблема таких частиц — а точнее, физиков, которые пытаются их понять — это предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина. Пока частица летит через Вселенную, она должна рассеиваться на фотонах реликтового излучения, то есть терять энергию при взаимодействии с ними (попутно образуя пионы). В среднем за 163 миллиона световых лет любой протон с энергией выше 50 квинтиллионов электронвольт должен потерять свою энергию и опуститься ниже этого порога. Следовательно, частицы типа «О мой Бог!» не могут прилетать к нам с удалений больше, чем несколько сот миллионов световых лет. Мощные астрофизические события на такой дистанции неплохо наблюдаются астрономами, но в местах, откуда прилетают подобные частицы, никакой особой активности не видно.
Совсем интригующая ситуация — не с протонами, а с ядрами атомов потяжелее, например, железа. В 2021 году одна такая была зарегистрирована (и тоже с энергиями в сотни квинтиллионов электронвольт). Для нее дистанция гашения должна быть от силы 16,3 миллиона световых лет, что очень близко от нас и уж точно неплохо наблюдаемо внегалактической астрономией. Но с той стороны, откуда пришла эта «частица Аматэрасу» не нашли вообще ни одного астрономического объекта, который мог бы быть кандидатом в источники подобных частиц. Более того: она пришла из так называемого Местного войда, огромной межгалактической пустыни, где, с точки зрения наблюдательной астрономии, не то что активных объектов, но и галактик много меньше, чем в остальных частях Вселенной.
За последние десятки лет астрофизики создали немало гипотез, пытающихся объяснить, какие природные «суперускорители» могли бы придавать ядру атома невероятную для него энергию падающего кирпича. Основных групп кандидатов три: сверхмассивные черные дыры, пожирающие вещество (часть вещества при этом отбрасывается в сторону на скорости), такие же дыры, но извергающие околосветовые шнуры плазмы от полюсов, а также события приливного разрушения, например, звезд (тоже от взаимодействия с черной дырой). Все подходы имеют сходные проблемы: такие события на расстояниях до десятков миллионов световых лет должны неплохо наблюдаться в видимом и ином диапазоне. А они не наблюдаются никак, за исключением прилета оттуда одиночных частиц.
Теперь группа европейских астрофизиков предложила новый подход к решению проблемы. В статье, опубликованной в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, они рассмотрели так называемые ультрабыстрые потоки материи из окрестностей сверхмассивных черных дыр, активно поглощающих материю. Ученые попробовали рассчитать, какие именно энергии могут получить частицы в таких потоках, также известных как «ветра от черных дыр».
Авторы использовали моделирование с помощью инструмента 3D CRPropa и прогнали через него данные по 86 известных случаях ветров от черных дыр. Оказалось, что ядра атомов железа в подобных ветрах могут быть разогнаны до ста квинтиллионов электронвольт. Но их поток при этом существенно ослабляется за счет фотоядерных реакций такого ядра с фотонами, летящими во все стороны от активно питающихся сверхмассивных черных дыр. Это связано с разогревом падающей в ЧД материи в аккреционном диске. Разогрев так силен, что диск активно излучает вплоть до рентгеновского диапазона.
Тем не менее, существует ряд ситуаций, когда даже настолько энергичные частицы могут покинуть окрестности черных дыр без чрезмерного ослабления от взаимодействия с фотонами. Исследователи обнаружили, что когда в активности сверхмассивной ЧД, поглощающей материю, случаются временные затишья, скорость падения материи в нее падает, как и характерные скорости в аккреционных дисках, откуда это падение происходит. В итоге падает и температура, и светимость таких дисков. От этого фотонов они излучают много меньше, и некоторые частицы с энергиями до десятков квинтиллионов электронвольт все же могут покинуть зону сверхмассивной ЧД вместе с ее ветром.
Хотя предложенный подход способен закрыть вопрос с большинством космических лучей ультравысоких энергий, он все же не покрывает диапазон более ста квинтиллионов электронвольт, в котором надежно зарегистрированы уже три частицы. Кроме того, даже временно притихшая активная сверхмассивная черная дыра на расстояниях до 16,3 миллиона световых лет должна быть видна — а у частицы Аматэрасу так и не удалось найти никакого источника. Это означает, что поиски ответа на вопрос об их природе продолжаются.