В октябре 1991 года астрономы зафиксировали космическую частицу, обладавшую колоссальной энергией, которая бросила вызов существующим законам теоретической физики. Ведущий научно-популярного канала PBS Space Time подробно разбирает феномен, получивший название «Oh My God» (О мой Бог), и объясняет, почему существование подобных ультравысокоэнергетических лучей до сих пор остается неразгаданной загадкой. Статья исследует историю открытия космических лучей, методы их регистрации Землей и парадоксы, которые они создают в современной астрофизике.
🌌 Частица «О мой Бог»: феноменальное открытие в небе Юты 0:01
15 октября 1991 года одиночное атомное ядро, двигавшееся со скоростью, составляющей 99,99999999999999999999951% от скорости света, ворвалось в атмосферу Земли и пронеслось над ночным небом штата Юта. В результате столкновения с молекулами воздуха ядро мгновенно разрушилось, породив колоссальный ливень из субатомных частиц и вспышек света. Эту вспышку зафиксировала обсерватория Fly's Eye («Глаз мухи») — ранний экспериментальный комплекс Университета Юты, состоявший из огромных зеркальных детекторов, напоминающих граненые консервные банки.
Проанализировав полученные данные, ученые пришли в изумление: кинетическая энергия этой крошечной частицы составляла 300 эксаэлектронвольт (около 48 Джоулей). Подобные масштабы энергии обычно ассоциируются с макроскопическими объектами, а не с элементарными частицами. Как отмечает автор видео, одно-единственное атомное ядро несло в себе столько же кинетической энергии, сколько увесистый камень, брошенный в голову со скоростью 50 миль в час (около 80 км/ч). Физики окрестили ее частицей «Oh My God» (О мой Бог), поскольку ничего подобного ранее не наблюдалось, а теоретические расчеты и вовсе утверждали, что существование космических лучей такой мощности невозможно.
🎈 От Эйфелевой башни до воздушных шаров: история открытия космических лучей 1:37
Чтобы понять природу этого явления, необходимо обратиться к истории физики. Радиоактивность была открыта Марией Кюри и Анри Беккерелем в конце XIX века. Было установлено, что при распаде тяжелых радиоактивных элементов выделяются высокоэнергетические частицы: электроны, легкие атомные ядра и гамма-лучи. Земля пронизана слабым фоном этой радиации из-за естественных изотопов в ее коре.
Первоначально считалось, что этот фон должен ослабевать по мере удаления от поверхности земли, так как воздух поглощает энергию частиц. Однако в 1909 году физик Теодор Вульф поднялся с детектором на вершину Эйфелевой башни и обнаружил, что уровень радиации снизился гораздо меньше, чем ожидалось. Окончательное доказательство в 1912 году получил Виктор Гесс: он поднялся на воздушном шаре на большую высоту и зафиксировал, что излучение, напротив, начинает резко расти. Это означало, что источник высокоэнергетических частиц находится глубоко в космосе, что и привело к открытию космических лучей.
📡 Как поймать неуловимое: технологии охоты за космическими лучами 2:43
Космические лучи крайне трудно регистрировать, поскольку их невозможно сфокусировать в объективе камеры так же, как обычный свет. Кроме того, большая их часть полностью поглощается атмосферой. Для поиска частиц относительно невысокой энергии ученые используют метод регистрации так называемого черенковского излучения.
Хотя космические лучи движутся со скоростью, близкой к скорости света в вакууме, в воздушной среде свет замедляется. Когда частица влетает в атмосферу, ее скорость превышает локальную скорость света в воздухе, что порождает слабую вспышку гамма-излучения.
Частицы ультравысоких энергий ведут себя иначе — они полностью уничтожают себя в верхних слоях атмосферы на высоте нескольких километров, сталкиваясь с ядрами гаммы газов. Возникает масштабный каскад вторичных субатомных частиц, известный как широкий атмосферный ливень. Потоки заряженных частиц заставляют воздух флуоресцировать, и это слабое свечение улавливают специальные телескопы. Часть обломков достигает поверхности Земли, где их регистрируют наземные датчики.
Несколько обсерваторий по всему миру занимаются регистрацией космических лучей:
- Обсерватория Пьера Оже в Аргентине: она контролирует территорию площадью около 3000 квадратных километров. В ее состав входят 1660 гигантских резервуаров с водой для фиксации черенковского излучения, а также телескопы для отслеживания флуоресценции в атмосфере.
- Проект Telescope Array: эволюционировал из первоначальной системы Fly's Eye. Он использует модернизированные флуоресцентные телескопы и сцинтилляционные детекторы на земле, представляющие собой акриловые пластины между металлическими листами для фиксации световых вспышек от ударов частиц.
🧬 Состав и классификация космических странников 5:04
На основе многолетних наблюдений ученые составили своеобразную перепись космических лучей, сталкивающихся с Землей:
- Протоны: составляют подавляющее большинство лучей и являются ядрами атомов водорода.
- Ядра гелия: также встречаются в значительном объеме.
- Тяжелые ядра: около 1% приходится на более тяжелые элементы, вплоть до железа.
- Дополнительные компоненты: исследователи также фиксируют гамма-лучи и даже частицы антиматерии.
Их энергетический спектр колоссален: от «скромного» одного миллиарда электронвольт до умопомрачительных значений уровня $10^{20}$ эВ и выше. Чем выше энергия, тем реже встречаются такие частицы. Если низкоэнергетический космический поток бомбардирует Землю с интенсивностью в одну частицу на квадратный метр каждую секунду, то ультравысокие показатели вроде OMG-частицы фиксируются крайне редко — примерно раз в квадратный километр за пару столетий.
🌀 Космические ускорители и загадочный предел ГЗК 5:44
Чтобы разогнать частицу до субсветовых скоростей, требуется мощный ускоритель. Человечество строит для этого огромные подземные кольца с магнитными полями, но Вселенная полна естественных аналогов. Источником низкоэнергетических лучей, по мнению астрофизиков, выступают вспышки сверхновых звезд внутри нашей Галактики: расширяющаяся ударная волна несет мощное магнитное поле, которое запирает и разгоняет частицы.
Однако частицы сверхвысоких энергий имеют внегалактическое происхождение. Их точные источники остаются загадкой, но ведущий предполагает, что ими могут быть квазары или масштабные гамма-всплески.
Главная научная дилемма заключается в том, что экстремальные частицы вроде «Oh My God» теоретически вообще не должны существовать. Дело в том, что космический вакуум не пуст — он заполнен холодными микроволновыми фотонами, оставшимися после Большого взрыва, то есть реликтовым излучением. Частицы с энергией выше предела Грейзена — Зацепина — Кузьмина (предел ГЗК), составляющего $5 \times 10^{19}$ электронвольт (около 8 Джоулей), не могут путешествовать на большие расстояния. Они неминуемо сталкиваются с фотонами реликтового фона и быстро теряют свою энергию.
Частица OMG превышала этот теоретический предел в 6 раз. Из этого следует, что она должна была родиться где-то «недалеко» по космическим меркам — в пределах 100–200 миллионов световых лет от Земли, иначе реликтовый фон полностью уничтожил бы ее избыточную энергию. Но на таком расстоянии астрономы без труда заметили бы столь мощные источники, как квазары. Тем не менее, траектория указывает на пустоту. Определенная избыточность потока фиксируется со стороны созвездия Большой Медведицы, но видимого кандидата на роль суперускорителя там нет.
🚀 Опасность для космонавтов и польза для фундаментальной науки 8:20
Атмосфера и магнитное поле Земли надежно защищают ее поверхность от смертоносного излучения, что ведущий называет настоящим благословением. За пределами земной магнитосферы космическая радиация становится огромной проблемой. Так, астронавты миссий «Аполлон» сообщали о странных световых вспышках, возникавших прямо в глазах. По мнению ученых, это могло быть результатом черенковского излучения от космических лучей, проходящих сквозь стекловидное тело глаза, или следствием прямой бомбардировки зрительного нерва.
Экипаж МКС также подвергается серьезному радиационному риску. Наряду со вспышками на Солнце, жесткие космические лучи — это одно из главных препятствий для будущих пилотируемых межпланетных полетов, например, на Марс.
Тем не менее, эти опасные странники приносят огромную пользу науке. Столкновения, порождаемые частицами вроде «Oh My God», происходят при энергиях, значительно превосходящих возможности Большого адронного коллайдера (БАК). Изучение этих процессов позволяет физикам заглянуть в тайны устройства пространства-времени как на микроскопическом, так и на макрокосмическом уровнях.
💬 Ответы на вопросы зрителей: от лунных телескопов до космического права 10:03
В финальной части выпуска ведущий традиционно разобрал комментарии к прошлому видео, посвященному перспективам строительства обсерваторий на Луне.
Отвечая на вопрос пользователя о том, почему человечество стремится к Марсу, игнорируя Луну, автор согласился, что Луна является идеальным и ценным плацдармом вблизи Земли, который необходимо осваивать мирным путем.
Касательно юридической стороны лунных миссий и того, кто выдает на них разрешения, ведущий пояснил правовые нюансы:
- Официально Луна не принадлежит ни одной стране, поэтому напрямую регулировать посадки никто не может.
- Однако государства имеют право жестко контролировать деятельность своих внутренних частных компаний (как это было с американской программой Moon Express).
- Существует Договор о космосе ООН, ратифицированный в том числе США, который предписывает использовать космические тела исключительно в мирных целях, гарантируя к ним свободный доступ.
Автор также подтвердил замечание одного из внимательных зрителей о том, что американская космическая программа Constellation и ракеты Ares были закрыты правительством еще в 2009 году в пользу разработки новой системы Space Launch System (SLS).
В завершение ведущий с иронией отреагировал на беспокойство подписчиков по поводу своего простуженного голоса и странного внешнего вида в ковбойском белье в прошлых кадрах, заметив, что в таком состоянии сам факт того, что он смог подняться с кровати и надеть хоть какое-то белье, уже можно считать грандиозной победой.
