Связь UHECRs с AGN (радиогалактика Центавр A). Изображение из статьи Moskalenko et al.

Группа американских исследователей, возглавляемая выпускником Физического факультета МГУ Игорем Москаленко из Стэнфордского университета (Stanford University, США, штат Калифорния), написала работу, которая подвергает сомнению нашумевшую интерпретацию результатов, полученных Обсерваторией имени Пьера Оже (Pierre Auger Observatory, Аргентина) в конце прошлого года. Напомним, что речь тогда шла о вероятном внегалактическом происхождении космических лучей ультравысоких энергий (Ultra-high-energy cosmic rays - UHECRs, до 10²⁰ электрон-вольт) и о том, что источниками их являются, скорее всего, сверхмассивные черные дыры, таящиеся в активных галактических ядрах. Новая статья принята для публикации в "Астрофизическом журнале" - Astrophysical Journal (ApJ), пока с ней можно ознакомиться по препринту на сайте arXiv.org.

Проблема состоит в том, что пространственная "привязка" событий, связанных с регистрацией частиц ультравысоких энергий, осуществлялась главным образом к маломощным активным галактикам. Такие галактики имеют довольно большую распространенность, и какую-либо из них с очень большой вероятностью можно отыскать в пределах трех градусов от любого произвольного направления на небе. "Корреляция, обнаруженная группой Оже, вероятно, является случайным совпадением", - заявил Москаленко в интервью New Scientist.

Более того, российский физик полагает, что небольшие малоактивные галактики просто не в силах производить космические лучи самых высоких энергий. Нет ни малейших признаков того, что они способны испускать высокоэнергетичные гамма-лучи, которыми, по мнению Москаленко, непременно должно сопровождаться производство и ускорение высоэнергетичных заряженных частиц. Можно выдвинуть альтернативное предположение: UHECRs с большей вероятностью могут поступать от гораздо более активных галактик - вроде квазаров и радиогалактик, особенно тех, что испускают мощные струи-"джеты" из частиц, разогнанных до релятивистских скоростей (излучающих в гамма-диапазоне).

Некоторые события, зарегистрированные Обсерваторией Оже, и раньше связывались с частицами ультравысоких энергий, пришедшими из самых активных галактик. По крайней мере четыре из них могли прибыть к нам от источника Центавр A (Centaurus A) - радиогалактики, расположенной в 12 миллионах световых лет от Солнца. Москаленко и его коллеги считают, что другие UHECRs также могли прийти от соседних активных галактик со струями - даже при том, что направления их прихода совсем не совпадают с такими источниками.

Как известно, космические лучи - это протоны и ядра (т.е. еще более тяжелые заряженные частицы), путь которых в магнитных полях отклоняется от прямолинейного. Ранее считалось, что частицы ультравысоких энергий все же сохраняют направление своего прихода почти неизменным, однако Москаленко теперь указывает на то, что напряженность и расположение межгалактических магнитных полей нам до сих пор еще толком не известны, таким образом они вполне могут на самом деле серьезно искажать пути космических лучей, отклоняя их более чем на 3°. В таком случае радиогалактики вроде Центавра A могли бы в действительности "стрелять по нам из-за угла", и все приходящие к Земле частицы ультравысоких энергий с разных направлений принадлежат именно им.

Радует то, что загадка UHECRs (если она еще до сих пор и не решена) в любом случае будет разгадана в самом ближайшем будущем. Ведь Обсерватория Оже продолжает активно работать и достраиваться, и вслед за первыми (сугубо предварительными) результатами неизбежно последуют новые, гораздо более полные и надежные.

Французский физик Пьер Оже (1899-1993) считается первооткрывателем широких атмосферных ливней (ШАЛ), образуемых высокоэнергетичными частицами, попадающими в земную атмосферу (1938), их иногда называют также ливнями Оже. Обсерватория, получившая его имя, представляет собой сеть из 1600 огромных резервуаров, которые устанавливаются на плоскогорье западной Аргентины (провинция Мендоса), снабжаются фотоумножителями и заполняются дистиллированной водой (по 11 тонн каждый, с атомами такого простейшего жидкого сцинтиллятора частицы и взаимодействуют). Каждый такой бак (водный черенковский детектор) отделен от соседних резервуаров расстоянием в 1,5 километра (общая площадь, занимаемая установкой, достигает трех тысяч квадратных километров). Резервуары обнаруживают частицы, отслеживая их взаимодействия с водой, ну а установленные дополнительно телескопы (в количестве 24 штук) ясными безлунными ночами улавливают свечение в атмосфере (флуоресценцию, вызванную взаимодействием космических лучей с молекулами азота), таким образом можно не только восстанавливать энергию первоначальных частиц, но и направление их прилета. Обсерватория должна зарегистрировать миллионы ливней, однако события, вызванные частицами сверхвысоких энергий, - это большая редкость. Звучит невероятно, но один-единственный протон в таком случае может нести столько энергии, сколько теннисный мячик, летящий со скоростью 100 километров в час. К сожалению (а может, и к счастью), частицы таких энергий на Земле - редкие гости, один случай на квадратный километр приходится раз в столетие. Поэтому для сбора осмысленной статистики и требуются очень большие площади.

Согласно популярным теоретическим моделям, активные ядра галактик (Active Galactic Nuclei - AGN), окружены скоплениями вещества, располагающегося в виде аккреционного диска и гигантского "пончика" (поглощающего тора), что частично скрывает от нас вид на черную дыру (пончик расположен в той же плоскости, что и аккреционный диск). Угол под которым мы наблюдаем этот самый "пончик", определяет (наряду с массой и рядом других факторов), что именно мы в свои приборы увидим - и как классифицируем этот объект. Так появляются квазары, блазары (в этом случае струя-"джет" из раскаленной материи направлена прямо на Землю), сейфертовские галактики... Поглощая газ, пыль и другую материю, вытягиваемую из галактики-хозяйки, ядра частично перерабатывают все это в исторгаемые ими потоки частиц самых высоких энергий. Пока еще механизм, с помощью которого AGNs достигают рекордных ускорений, детально не изучен, но предполагается, что ускоряемые таким образом частицы могут достигать энергий, в сотню миллионов раз превосходящих энергию мощнейших земных ускорителей частиц.

Источники:
Doubt cast on source of universe's mightiest particles - New Scientist
On the Possible Association of Ultra High Energy Cosmic Rays with Nearby Active Galaxies - Igor V. Moskalenko (Stanford/KIPAC), Lukasz Stawarz (KIPAC), Troy A. Porter (SCIPP/UCSC), Chi C. Cheung (NASA/GSFC)

Ссылки:
Крупнейшая в мире обсерватория начала регистрировать космические лучи
Посланцы из неведомых краев
Космические лучи и гамма-астрономия