Тяжелее железа и лучше выживают: физики по-новому объяснили природу частицы Аматэрасу

Загадка самых высокоэнергетических частиц, когда-либо сталкивавшихся с Землей, возможно, наконец получает объяснение. Исследование под руководством ученых Университета штата Пенсильвания предполагает, что некоторые из космических лучей сверхвысоких энергий могут состоять из атомных ядер, более тяжелых, чем железо. Это открытие заставляет пересмотреть природу таких экстремальных событий, как знаменитая «частица Аматэрасу», зафиксированная в 2021 году обсерваторией Telescope Array в штате Юта.

Энергия Аматэрасу составила около 240 эксаэлектронвольт — это сопоставимо с легендарной «частицей Oh-My-God», пойманной в 1991 году. Направление ее прихода указывает в космическую пустоту, где нет очевидных источников. Чтобы понять, как такое возможно, команда профессора Коты Мурасе провела детальные компьютерные симуляции, проследив, как частицы разной массы теряют энергию в межгалактическом пространстве.

Выяснилось, что ультратяжелые ядра теряют энергию медленнее, чем протоны или ядра промежуточной массы. Это позволяет им сохранять заряд и достигать Земли на экстремальных энергиях, в то время как более легкие частицы быстрее расходуются в пути. Расчеты также наложили новые ограничения на то, какой вклад такие ядра могут вносить в общую популяцию наблюдаемых космических лучей.

Наиболее перспективными природными ускорителями для сверхтяжелых частиц ученые называют гибель массивных звезд с коллапсом в черные дыры или сильно намагниченные нейтронные звезды, а также слияния двойных нейтронных звезд — события, порождающие мощные гравитационные волны. Эти же катаклизмы способны питать гамма-всплески — самые энергичные взрывы во Вселенной. Их вклад также мог бы объяснить возможное различие между северным и южным небом в спектре ультраэнергичных космических лучей.

Авторы подчеркивают, что не утверждают, будто все такие лучи являются ультратяжелыми ядрами. Но если хотя бы часть рекордных событий будет идентифицирована именно так, стратегия поиска их источников изменится кардинально. Для проверки гипотезы потребуются обсерватории нового поколения. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.