Дело о 70-ти «Ламборгини»: Темнота неподалеку
«Это открытие важно, — поясняет один из авторов находки Джон Вефель (John Wefel), — поскольку впервые идентифицирован изолированный источник космических лучей, выделяющийся среди фоновой радиации».
Напомним, что космические лучи представляют собой потоки элементарных частиц, разогнанных в глубинах Вселенной до околосветовых скоростей — источниками их могут служить взрывы сверхновых и другие масштабные события. Лучи, эти пронизывают всю нашу галактику со всех направлений, попадают и в Солнечную систему, создавая фоновое излучение. Состоят они, в основном, из протонов (ядер водорода) и ядер более тяжелых элементов, но также включают электроны и фотоны. Львиная доля этих частиц отклоняется от нашей планеты под действием ее магнитного поля. Те же, что попадают в атмосферу, рассеиваются, порождая вторичное излучение.
На исследование этого явления Вефель с коллегами потратили около 8 лет. Они использовали воздушные шары, стратосферные зонды, поднимавшие необходимые научные инструменты высоко в небо над Антарктидой, туда, где космическое излучение уже можно зарегистрировать. Основным из этих инструментов был прибор для измерения энергии частиц, калориметр ATIC. Ученые ожидали получить «профиль» относительного содержания частиц и их энергий — но нашли нечто странное: странно высокое содержание электронов.
По словам Вефеля, неожиданность от этого открытия можно сравнить с поездкой на автомобиле по дороге, среди обычных машин — когда внезапно вас обгоняет штук 70 спортивных «Ламборгини»!
ЗА 5 недель исследований с помощью стратосферных зондов, проведенных в 2000 и 2003 гг., калориметр ATIC зафиксировал 70 «лишних» электронов, обладавших энергией от 300 до 800 ГэВ. (Электронвольт (эВ) — внесистемная единица измерения, которая сегодня часто используется в физике элементарных частиц. Гигаэлектронвольт — миллиард эВ — это очень много; для сравнения, тепловая энергия молекулы воды при комнатной температуре равна примерно 0,025 эВ, а излучаемые при атомном взрыве альфа-частицы обладают энергией 2−10 МэВ). Со стороны 70 электронов могут показаться несерьезной цифрой, но если вспомнить пример с «Ламборгини», станет понятно: в некоторых случаях некоторые вещи и в таком количестве производят сильное впечатление.
«Источник этих частиц, — добавляет другой участник исследования, Джим Адамс (Jim Adams) — должен находиться где-то неподалеку от Солнечной системы, не дальше какого-то килопарсека от нас».
Что позволило ученым сделать этот вывод? Дело в том, что высокоэнергетические электроны в свободном полете очень быстро теряют энергию либо сталкиваясь с медленными протонами, либо просто излучая ее избыток при движении вдоль изогнутых линий магнитного поля галактики. Так что высокоэнергетические электроны — вещь, существующая лишь в непосредственной близости от источника. Пролетев же «какой-то килопарсек» — а это не много нимало 310 триллионов км — электрон уже, строго говоря, не высокоэнергетический.
Некоторые из специалистов считают даже, что источник 70-ти странных электронов и того ближе, не более нескольких сотен парсек от Солнечной системы. (Для сравнения: весь диск всего Млечного пути в поперечнике имеет около 300 тыс. парсек, а сама Солнечная система не набирает и одного).
«К сожалению, — добавляет Джон Вефель, — локализовать этот источник на небе мы не можем». Хотя калориметр ATIC позволяет устанавливать и направления частиц, перевести угол, под которым они упали на его датчик, в координаты не представляется возможным. И сам датчик, несомый антарктическим ветром, не находился в устойчивом положении. И падающие на него электроны уже много раз сменили направление своего полета под действием магнитных полей нашей галактики.
Эта неопределенность источника дает пространство для работы воображения — разумеется, в рамках научной парадигмы. Так, наиболее вероятным источником можно считать расположенный где-то тут же пульсар, или небольшой квазар, или черную дыру звездной массы. По крайней мере, все они способны разгонять электроны до столь значительных скоростей. Да и вероятность того, что подобный источник, расположенный, по космическим меркам, недалеко от нас, пока неизвестен астрономам, тоже не так уж мала. Достаточно мощный гамма-телескоп Fermi запущен совсем недавно и лишь начал свою работу по обследованию неба. Подробней о том, что и зачем он исследует, и как это выглядит, вы можете прочесть (и увидеть) в статье «Гамма-небеса».
Ну а еще более интересная возможность состоит в том, что источником мощного потока электронов служит скопление темной материи — крайне таинственной субстанции, которая не взаимодействует с нашей обычной материей никаким способом, кроме гравитационного.
В теоретической физике, которая по-прежнему пытается создать универсальную «теорию всего» существует ряд гипотез, названных в честь ученых Калуца (Kaluza) и Клейна (Klein), которые впервые начали объяснять ряд несостыковок в имеющихся гипотезах путем введения в них дополнительных «невидимых» (например, свернутых и оттого слишком «мелких», чтобы вообще различаться какими-либо приборами) измерений. К ним относится и популярная сегодня теория суперструн, популярное введение в которую можно найти в статье «Струнный концерт для Вселенной». Есть версия и о том, что темная материя тоже является ничем иным, как дополнительными измерениями: ни увидеть, ни зафиксировать их мы не можем, но они проявляют себя гравитационно — то есть, внося искажения в наши привычные пространство-время.
Причем тут космические лучи? Дело в том, что одно из следствий этого подхода состоит в том, что частицы в этой темной материи Калуца-Клейна представляют одновременно и свои собственные античастицы. Соответственно, они моментально аннигилируют, порождая, в том числе, обычные протоны и электроны. Эти частицы уже не «заперты» в недоступных нам измерениях и появляются в наших — здесь они устремляются через космос и в конце концов оказываются на детекторе калориметра ATIC.
«Да, наши результаты вполне могут объясняться тем, что недалеко от Солнечной системы располагается плотное облако темной материи, — говорит Джон Вефель, — Точнее говоря, гипотеза Калуца-Клейна имеет следствием существование частицы массой около 620 ГэВ, которая, аннигилируя, порождает электроны именно тех энергетических характеристик, которые мы и наблюдали».
Добавим, что проверка этой версии — вещь крайне непростая. В конце концов, темная материя — на то и темная, что ее никакими способами «увидеть» нельзя. Однако если оно там действительно есть, возможно, найдутся другие результаты аннигиляции «темных» частиц — в частности, гамма-лучи определенных энергий. И снова, помочь с ними сможет лишь телескоп Fermi.
По сообщению NASA