С 1960-х по 2000-е годы физики из Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) бросали электроны в связанные частицы с такой энергией, на какую только были способны. Исследователи заглянули внутрь субатомных частиц, открыли две фундаментальные частицы и получили за свои труды три Нобелевские премии. Ускоритель длиной в две мили наполнял электроны энергией (в особых единицах физики частиц), достигающей десятков миллиардов "электронвольт", - инженерный подвиг, которому нет равных.
Теперь астрофизики использовали другую экстремальную машину, чтобы обнаружить естественную электронную базуку, которая делает SLAC похожей на гороховую стрелку.
За последний год колоссальная установка, расположенная высоко в горах на юго-западе Китая, зафиксировала два ливня частиц, каждый из которых был порожден одним высокоэнергетическим лучом света - гамма-лучами, врезавшимися в верхние слои атмосферы. Оба гамма-излучения, по-видимому, исходили из Крабовидной туманности, что свидетельствует о том, что в знаменитом остатке сверхновой звезды находится самый мощный электронный ускоритель, который еще не обнаружен. Гамма-лучи несут в себе уровень энергии - миллионы миллиардов электронвольт, или "петаэлектронвольт (ПЭВ)" - который бросает вызов тому, что теоретики считали возможным.
"Мы десятилетиями мечтали обнаружить событие с энергией 0,1 петаэлектронвольта", - говорит Феликс Агаронян, астрофизик из Дублинского института перспективных исследований и член коллаборации, которая произвела обнаружение. "Никто не ожидал, что вы обнаружите гамма-лучи с энергией 1 ПэВ".
Футуристический объект
Когда природные ускорители, такие как сверхновые, выстреливают электроны, заряженные частицы следуют по петляющим и хаотичным путям через многочисленные магнитные поля Вселенной, скрывая, откуда они пришли. Но когда одна такая частица вскоре после запуска врезается во всепроникающие микроволны, столкновение приводит к вспышке гамма-лучей, которые летят прямо. Поиск ливней частиц, создаваемых этими межгалактическими эмиссарами, является одной из задач Большой обсерватории воздушных ливней на больших высотах (LHAASO).
LHASSO находится на высоте почти трех миль над уровнем моря на горе Хайцзы в китайской провинции Сычуань. Там он ищет каскады из тысяч электронов и других частиц - обломков, высвобожденных космическими лучами или гамма-лучами, врезающимися в атмосферу Земли. Установка оснащена несколькими типами детекторов общей площадью более квадратного километра как над, так и под землей, что делает ее в десять раз больше, чем предыдущий ведущий прибор.
Более 5 000 наземных детекторов следят за ансамблем частиц, выпадающих после ударов космических лучей и гамма-лучей, в то время как более 1 000 подземных детекторов регистрируют только мюоны. Эти тяжелые электронные родственники часто появляются во время ливней космических лучей (но реже во время ливней гамма-лучей), что позволяет исследователям исключить их и сосредоточиться только на ударах гамма-лучей с точностью, с которой не может сравниться ни один земной прибор.
"Люди называют его объектом из будущего, который работает сейчас", - говорит Агаронян.
Два ослепляющих гамма-излучения
До недавнего времени LHAASO находился в стадии строительства. И одно из первых дел, которое часто делают астрономы при настройке нового телескопа, - это наблюдение за Крабовидной туманностью - остатками сверхновой звезды, замеченной китайскими астрономами в 1054 году, и одним из наиболее тщательно изученных объектов на небе. "Это суперзвезда на небе", - говорит Агаронян. "Иногда мы называем ее стандартной свечой".
Крабовидная туманность проходит над LHAASO в течение примерно семи часов каждый день, поэтому, пока сотрудничество наращивало темпы работы, ученые, работающие на объекте, провели тысячи часов, наблюдая за ней. Все выглядело так, как и должно было быть, за исключением двух сюрпризов.
В прошлом году 11 января около 5 000 входящих частиц зажгли около 400 наземных детекторов, и лишь несколько мюонов попали на датчики под землей - то, что можно было ожидать от каскада гамма-лучей с энергией 0,9 ПэВ, попавших в атмосферу.
В этом году, 4 января, Крабовидная туманность вспыхнула снова, на этот раз с еще более мощным гамма-излучением, зарегистрировавшим около 1,1 ПэВ. На тот момент этот фотон был самым высокоэнергетическим световым лучом, когда-либо зарегистрированным на Земле (с тех пор LHAASO зарегистрировал гамма-излучение с энергией 1,4 ПэВ от совершенно другого типа источника). О своих выводах участники коллаборации рассказали вчера в журнале Science.
Рекорды в стороне, но исследователей действительно интригуют не сами световые лучи, а скоростные электроны, которые первоначально послали вспышку света прямо к Земле, и чудовищное космическое оборудование, способное разогнать электроны до таких неслыханных энергий.
"1 ПэВ - это настоящий сюрприз", - говорит Агаронян. Мы знали, что "Краб" - суперэффективная машина для преобразования энергии и ускорения частиц. Но теперь мы видим, что даже "супер" - это, возможно, немного скромно".
Высокоэффективное устройство
Как же Крабовидная туманность выплевывает такие молниеносные электроны? У астрофизиков есть примерная идея.
В центре облака находится пульсар - нейтронная звезда шириной 18 миль, которая совершает дикие обороты около 30 раз в секунду. Из этой вращающейся звездной шелухи "ветер" электронов и их партнеров из антиматерии вырывается наружу с приличной скоростью, равной скорости света. В конце концов, этот электронный шквал врезается в окружающее пылевое облако, выбрасывая ударную волну электронов и других частиц (некоторые из которых испускают фотоны гамма-излучения, подобные тем, что засекла LHAASO).
По словам Агароняна, задача состоит в том, чтобы понять последний этап: как ветер посылает электроны с достаточной силой, чтобы создать гамма-излучение с энергией 1 ПэВ. Чтобы заставить электроны двигаться, необходимо мощное локальное магнитное поле, но более мощные магнитные поля также заставляют электроны выпускать больше частиц при прохождении через них (вызывая своего рода процесс сопротивления, который инженеры пытались минимизировать при строительстве земных ускорителей, таких как SLAC).
Тем не менее, Крабовидный пульсар каким-то образом сумел передать почти все крохи энергии своего электронного ветра двум электронам, которые в прошлом году послали гамма-лучи на LHAASO. Судя по наблюдениям LHASSO, пульсар, вероятно, ежесекундно выпускает столько электронов ПэВ, что только эти частицы уносят столько энергии, сколько излучает наше Солнце во всех длинах волн. Астрофизики поставлены в тупик вопросом, как столько энергии попадает в самые молниеносные электроны.
"Это на границе реальности", - говорит Агаронян. "Это не может быть простым ударным ускорением. Это должно быть что-то особенное".
LHAASO заметил эти два сверхвысокоэнергетических световых луча (наряду с кучей чуть менее энергичных фотонов) во время строительства, работая примерно на половине своего потенциала. Теперь, когда установка достигла полной чувствительности, коллаборация надеется по крайней мере на десятилетие собрать больше подробностей о том, на что способна Крабовидная туманность.
"Через несколько лет мы будем многое знать, и я думаю, что возможны сюрпризы", - говорит Агаронян.
Поправка от 13 июля 2021 года: В предыдущей версии этой статьи было неверно указано, как ускоренные электроны производят гамма-лучи. Они должны пройти через микроволны, а не через газовое облако.