Ученые, возможно, обнаружили самый мощный коллайдер частиц во Вселенной

Фото из открытых источников

Новые исследования показывают, что сверхновые могут стать одними из самых мощных коллайдеров частиц во Вселенной, но только если перед взрывом они пройдут через огромное количество газа.

Почти столетие астрономы обнаруживают высокоэнергетические частицы, приходящие из далекой вселенной. Известные как космические лучи, они состоят в основном из протонов и, иногда, ядер более тяжелых элементов. Большинство космических лучей отклоняются магнитным полем Земли или поглощаются в верхних слоях атмосферы, но некоторые добираются до поверхности. Примерно раз в секунду космическому лучу удается ударить ваше тело.

Космические лучи охватывают широкий диапазон энергий, самые мощные из которых превышают один петаэлектронвольт (ПэВ). Это один квадриллион электронвольт, или в тысячу раз мощнее энергий столкновений Большого адронного коллайдера, самого мощного в мире ускорителя атомов.

Астрономы давно подозревали, что взрывные смерти массивных звезд могут быть ответственны за эти чрезвычайно мощные космические лучи. В конце концов, эти сверхновые имеют все необходимые ингредиенты: детонация с более чем достаточным количеством энергии, поток элементарных частиц и магнитные поля, которые могут довести эти частицы до безумия, прежде чем выпустить их в космос.

Однако наблюдения за близлежащими остатками сверхновых, такими как Тихо и Кассиопея А, не оправдали ожиданий: космические лучи, исходящие из этих мест, намного слабее, чем ожидалось.

В статье, принятой к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics, исследователи спасли гипотезу сверхновой и обнаружили, что в особых случаях остатки сверхновой действительно способны становиться «Певатронами» — то есть взрывами, способными генерировать космические лучи с энергией ПэВ.

Команда обнаружила, что перед тем, как стать сверхновой, звезда должна потерять значительное количество массы — по крайней мере, двух солнц. Это довольно распространенное явление, поскольку мощные ветры могут сдувать внешние слои атмосферы звезды до основного взрыва. Но, что особенно важно, этот материал не может рассеиваться слишком широко. Он должен оставаться плотным, компактным и близким к звезде.

Затем, когда сверхновая наконец-то происходит, ударная волна от взорвавшейся звезды врезается в эту оболочку материала. И тут начинается ад.

По мере того, как ударная волна проходит через окружающую оболочку, магнитные поля нарастают до невероятно мощных энергий. Эти магнитные поля берут любые случайные субатомные частицы — обломки в оболочке — и ускоряют их, отбрасывая их назад и вперед внутри ударной волны. С каждым отскоком частица получает больше энергии. Наконец, она получает достаточно энергии, чтобы полностью покинуть хаос и устремиться во вселенную.

Но в течение нескольких месяцев система теряет пар, поскольку ударная волна замедляется. Она по-прежнему производит обильные космические лучи, но не выше порога ПэВ.

Этот сценарий объясняет, почему мы не наблюдали напрямую ни одного активного Певатрона. Несмотря на то, что сверхновая взрывается в Млечном Пути каждые несколько лет, ни одна из них не была достаточно близко в наше время, чтобы мы могли наблюдать короткое окно, когда они могут ускорить космические лучи до таких экстремальных энергий. Так что нам просто придется набраться терпения.