Физики предположили, что загадочная частица Аматэрасу может быть ядром сверхтяжелого элемента

Космические лучи сверхвысоких энергий — это элементарные частицы и атомные ядра, движущиеся из других галактик почти со скоростью света. Их изучают уже десятки лет, но происхождение остается загадкой. Проблема в том, что межгалактическое пространство заполнено реликтовым излучением — «эхом» Большого взрыва. Сталкиваясь с этими фотонами, частицы теряют энергию, поэтому самые мощные из них должны прилетать из сравнительно близких областей.

В мае 2021 года Telescope Array зафиксировала Аматэрасу — частицу с энергией 244 эксаэлектронвольт. Это настолько много, что такое событие — большая удача. Однако она пришла из практически пустой области, где нет объектов, способных разогнать частицу до таких энергий. Это поставило ученых в тупик.

Новая гипотеза: сверхтяжелое ядро

Авторы исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, предположили, что Аматэрасу могла быть ядром сверхтяжелого элемента, например платины. Такие ядра (тяжелее железа) содержат более ста протонов и нейтронов и образуются в экстремальных событиях, таких как столкновения нейтронных звезд.

Чтобы проверить гипотезу, физики создали расширенную компьютерную модель, которая учитывает тысячи разновидностей тяжелых атомных ядер и их взаимодействия с реликтовым излучением. Они рассчитали, как эти ядра теряют энергию, распадаются и меняют состав по пути к Земле.

Неожиданный результат: сверхтяжелые ядра путешествуют дальше

Моделирование показало, что сверхтяжелые ядра могут сохранять высокую энергию дольше, чем протоны или более легкие ядра. Это означает, что они способны преодолевать значительно большие расстояния, прежде чем затормозить из-за столкновений с реликтовым излучением. Таким образом, Аматэрасу действительно могла прилететь из очень далекого источника, который раньше не рассматривался.

Ученые также сравнили расчеты с данными обсерваторий Pierre Auger и Telescope Array. Присутствие небольшого количества сверхтяжелых ядер помогает лучше объяснить самые редкие и энергичные события, особенно те, что зафиксировал Telescope Array, где и была обнаружена Аматэрасу.

Если гипотеза подтвердится, это изменит представления о природе космических лучей сверхвысоких энергий. Окажется, что во Вселенной до рекордных энергий могут разгоняться не только легкие частицы, но и ядра очень тяжелых элементов. Ключ к разгадке происхождения Аматэрасу может скрываться в самых мощных космических катастрофах — столкновениях нейтронных звезд и взрывах массивных светил, где одновременно рождаются тяжелые элементы и, возможно, самые энергичные частицы в природе.