Теория гамма-всплесков в холоде.
Надземная часть нейтринной обсерватории IceCube
Theory of gamma-ray bursts is out in the cold
Теорию космических лучей встречает холодный прием
Одну из ведущих теорий, описывающих, как возникают самые энергичные космические лучи, возможно, придется пересмотреть в свете нового исследования физиков в нейтринной обсерватории
IceCube
в Антарктиде. Исследовательская группа намеревалась обнаружить чрезвычайно энергичные нейтрино, которые должны возникать вместе с космическими лучами высокой энергии при взрыве, которым отмечается смерть массивных звезд, - но после просмотра сотен таких взрывов, никаких нейтрино обнаружено не было.
Высоко энергетические космические лучи из заряженных частиц, таких как протоны с кинетической энергией более 10
18
эВ - в миллионы раз более энергичными, чем частицы столкиваемые в
Большом адронном коллайдере
в ЦЕРН, в лаборатории физики элементарных частиц.
Тайна, где эти космические лучи возникают, озадачивает астрофизиков на протяжении десятилетий. В число вероятных кандидатов входят
гамма-всплески
(GRB), которые возникают, когда взрываются массивные звезды. За десятки секунд, как они обычно длятся, GRB может затмить все остальное во Вселенной, выбрасывая больше энергии, чем Солнце произведет за всю свою жизнь. Другими возможными источниками высокоэнергетических космических лучей являются активные ядра галактик (в центре галактик).
Однако, оказалось очень трудно проверить эти теории, потому что отслеживание космических лучей к их источникам является не простой задачей. Это потому, что они, как заряженные частицы, отклоняются во время своих длительных путешествий к Земле сильными магнитными полями, присутствующими в космосе.
Теория огненного шара
Из ряда возможных сценариев GRB, модель огненного шара является «одной из наиболее широко распространенной моделью», по словам Натана Уайтхорна (Nathan Whitehorn), физика из университета штата Висконсин в США, который принимал участие в исследовании на IceCube.
Эта теория описывает ряд внутренних потрясений, которые ускоряют протоны через выбросы, когда они расширяются. Протоны сталкиваются с гамма-лучами и рождают пионы, которые самопроизвольно распадаются, чтобы дать нейтрино с энергией порядка 10
14
эВ. В отличие от космических лучей, нейтрино не реагируют на магнитные поля и, следовательно, их траектории должны указывать прямо к GRB.
IceCube состоит из массива в тысячу труб ФЭУ-детекторов, погребенных под 1,5-2,5 км льда. Детекторы ищут крошечные вспышки света, которые образуются при взаимодействии нейтрино с льдом. Исследователи обработали данные IceCube за два года для доказательства того, что импульс нейтрино высокой энергии поступает на Землю, когда GRB было замечено сетью из примерно из 100 спутников, каждый из которых содержит гамма-детектор. Вместо того, чтобы нейтрино высоких энергий прибывали одновременно со всеми гамма-лучам, ни одно нейтрино не было замечено в совпадении с 300 гамма-всплесками, обнаруженными в течение двух лет.
Удивительный результат
Нулевой результат «удивителен», по словам Даррена Гранта (Darren Grant), физика из Университета Альберта в Канаде, который работает над проектом IceCube. «Это изменяет то, что считалось лучшим моделируемым пониманием этих невероятных астрофизических объектов», говорит он.
Отсутствие нейтрино показывает, что либо гамма-всплески не производят космические лучи, либо, что современные представления о космических лучах и механизмах производства нейтрино являются ошибочными.
Исследователи подсчитали, что производство энергетических нейтрино по крайней мере в 3,7 ниже, чем следует из моделей огненного шара, которые они проверяли. По Уайтхорн, это последнее исследование «добавляет проблем, хотя и не исключает идею, что гамма-всплески могут быть единственными источниками космических лучей сверхвысоких энергий».
Гамма-всплески не полностью исключены
Астрофизик-теоретик Кота Мюрэйз (Kohta Murase) из Университета штата Огайо в США подтверждает, что это «показывает, что наблюдение нейтрино стало важным инструментом для решения давних и таинственных проблем [космических лучей]». Тем не менее, Мюрэйз (не является членом колаборации IceCube) предупреждает, что GRB-источники, не следует все же исключать, потому что есть «теоретические вопросы» с некоторыми моделями.
«В некоторых случаях, также ожидается, что высокоэнергетические космические лучи производятся без большого количества нейтрино», говорит он. «Или же они могут возникать на стадии послесвечения, когда поток нейтрино, как ожидается, будет ниже».