Насколько прозрачна Вселенная? На этот вопрос нет однозначного ответа. Мощные оптические телескопы сегодня могут увидеть объекты, расположенные на краю видимой части Вселенной, но ситуация меняется, когда речь заходит об излучениях высоких энергий.
Фото: Влад Некрасов, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Влад Некрасов, Коммерсантъ / купить фото
Космические частицы несутся почти со скоростью света через галактики и их скопления, но на своем пути они встречают препятствия — вещество, излучение, магнитные поля. Гамма-излучение высоких энергий поглощается при распространении во Вселенной из-за взаимодействия с излучением низких энергий — например, светом звезд и галактик, а также реликтовым излучением. Поэтому изучать далекие космические объекты — например, так называемые блазары, сверхмассивные ядра активных галактик, выстреливающие в нашу сторону потоки вещества с околосветовыми скоростями,— астрономам приходится с поправкой на эту «непрозрачность».
Само по себе гамма-излучение высоких энергий — это обычный свет, только с энергией фотонов в сто миллиардов раз выше, чем у видимых глазом. До поверхности Земли такое жесткое излучение, к счастью, не доходит — поглощается атмосферой. Его регистрируют с помощью специальных черенковских телескопов, стоящих на Земле. Они реагируют на каскадные реакции в атмосфере — ливни заряженных элементарных частиц, вызванные первичными гамма-фотонами.
Уже давно ученые заметили, что некоторые космические объекты почему-то «игнорируют» непрозрачность Вселенной, и изучению именно таких аномальных источников посвящена статья главного научного сотрудника Института ядерных исследований РАН, члена-корреспондента РАН Сергея Троицкого, вышедшая в авторитетном Европейском физическом журнале. Работа была поддержана грантом Российского научного фонда 18–12–00258.
Для некоторых очень далеких блазаров наблюдается «аномальная прозрачность Вселенной» — до нас долетают от них фотоны таких энергий, которые, согласно всем расчетам, должны были бы поглощаться по пути через Вселенную, взаимодействуя со светом звезд и галактик. Примерно треть изученных источников видны с аномальной прозрачностью и две трети — с обычной. Аномальными оказались в том числе некоторые яркие и хорошо изученные источники. В данной работе Сергей Троицкий изучил, как распределены такие «аномальные» источники по небу. Если нанести их на карту неба, сразу видно, что распределены они неравномерно. Один из «самых аномальных» источников — очень известный квазар 3C279, один из самых ярких гамма-источников на небе и один из первых открытых в 1960-х годах квазаров, расположен в созвездии Девы. Галактика, в которой мы живем, находится в перемычке, соединяющей скопления галактик в созвездиях Девы и Печи. Эту перемычку астрономы называют «местным филаментом». Она только называется нитью, а на самом деле это довольно толстый «шнур» шириной несколько мегапарсек, то есть миллионы световых лет.
Так вот, квазар 3C279 гораздо дальше, чем скопление в созвездии Девы, поэтому он виден сквозь скопление. Эта зацепка позволила понять систему: оказалось, что и другие аномальные источники видны сквозь разные элементы нашего сверхскопления галактик — близкие скопления и «местный филамент». Выглядит парадоксально: если смотреть в тех направлениях, где находятся эти структуры из галактик, Вселенная оказывается более прозрачной, чем если смотреть мимо них, через пустое место. Внутри структур расположены галактики с большим количеством звезд, так что в них больше того, на что может «наткнуться» излучение, проходя сквозь Вселенную, и потому больше шансов для поглощения фотонов. А мы в этих направлениях видим, наоборот, аномальную прозрачность. Как же это объяснить? У ученых закрадывалась даже мысль, что у одного из черенковских телескопов сбилась калибровка и он неправильно определяет яркость объектов. Но это оказалось не так — аномальные объекты видели все телескопы.
Одно из возможных объяснений столь необычного явления — аномальная прозрачность возникает благодаря новому явлению в физике частиц, превращению фотонов в аксионы и обратно. Аксионы — это удивительные, еще не открытые экспериментально частицы, которые практически не взаимодействуют с веществом и излучением, даже слабее, чем хорошо известные нейтрино, свободно пролетающие через Солнце, Землю, людей… Поэтому для аксионов Вселенная прозрачна. Но во внешнем магнитном поле аксионы могут интенсивно превращаться в фотоны, и обратно — фотоны в аксионы. Как раз такое магнитное поле, вероятно, существует в скоплениях галактик и филаментах. Блазары тоже находятся в филаментах (своих, далеких), вот и получается, что фотоны сначала излучаются блазарами, пролетают несколько миллионов световых лет и затем превращаются в гипотетические аксионо-подобные частицы. Они же, в свою очередь, летят уже миллиарды световых лет через межгалактическое пространство, а потом, попав в магнитное поле нашего «местного филамента», превращаются обратно в фотоны, которые и достигают Земли.
Именно такая картина аксион-фотонного смешивания в филаментах была предложена в статье 2010 года для решения другой загадки астрофизики частиц — наблюдения нейтральных частиц ультравысоких энергий от лацертид. Лацертиды — это подкласс тех же блазаров, далекие мощные источники излучения. В 2004 году в данных эксперимента HiRes, регистрировавшего космические лучи ультравысоких энергий, сотрудниками ИЯИ РАН была обнаружена загадочная корреляция направлений прихода частиц с энергиями выше 10 в 19-й степени электронвольт (то есть еще в сто миллионов раз выше!) с положениями лацертид на небе. Корреляция была подтверждена в работе коллаборации HiRes в 2005 году, однако другие эксперименты пока не могли ее проверить из-за худшей, чем у HiRes, точности определения направления. Направления совпадали с точностью до разрешения установки, что означало, что прилетающие частицы не имеют, в отличие от основной массы космических частиц, электрического заряда (заряженные частицы отклонялись бы в космических магнитных полях). В рамках стандартной астрофизики нейтральные частицы столь высоких энергий не могут долетать с таких расстояний, и аксионное объяснение было одним из немногих работающих.
Поэтому в сегодняшней работе наряду с положениями аномальных гамма-блазаров были тем же способом проанализированы направления прихода аномальных космических частиц, зарегистрированных HiRes, на небесной сфере. Оказалось, что лацертиды, от которых они приходили, также расположены за структурами «местного филамента». Суммарная статистическая значимость двух независимых наблюдений — 4 сигма, то есть вероятность, что этот эффект получился случайно, составляет всего лишь примерно 1 случай на 16000. Пока никаких других работающих объяснений обнаруженного эффекта, кроме аксионного, не предложено, но это не значит, что их нет. Говорить об открытии новой элементарной частицы, аксиона, таким косвенным методом пока рано.
Теперь предстоит большая работа по изучению обнаруженного эффекта. В частности, с использованием данных крупного международного эксперимента Telescope Array, изучающего космические лучи сверхвысоких энергий (участвует группа Института ядерных исследований РАН). Ученые будут пытаться независимо проверить обнаруженный в данных HiRes эффект и исследовать его, а также предложенное в данной статье «аксионное» объяснение аномальной прозрачности Вселенной для гамма-излучения очень высоких энергий.
The local-filament pattern in the anomalous transparency of the Universe for energetic gamma rays; S.V. Troitsky; журнал European Physical Journal C, март 2021 г.