Космические лучи сверхвысоких энергий
Как магнитные поля искажают картину Вселенной
Группа ученых из Института ядерных исследований РАН представила новую работу по моделированию изображений источников высокоэнергичных заряженных частиц с учетом воздействия внегалактических магнитных полей, что позволяет пролить свет на одну из самых интригующих загадок современной астрофизики — распространение космических лучей сверхвысоких энергий во Вселенной. Исследование показывает, как галактические и межгалактические магнитные поля влияют на наблюдаемое распределение источников этих загадочных частиц.
Космические лучи ультравысоких энергий обладают энергией свыше 1 эксаэлектронвольта (1 ЭэВ = 1018 эВ), что в миллионы раз превосходит энергию частиц, достижимую на рукотворных ускорителях. Они регистрируются весьма редко, механизмы их появления на свет остаются спорными, но обычно считается, что их происхождение связано с самыми масштабными и энергоемкими процессами во Вселенной: гамма-всплесками, релятивистскими струями-джетами и потоками, порождаемыми сверхмассивными черными дырами в центрах активных галактических ядер. В отличие от нейтральных фотонов и нейтрино, заряженные частицы и ядра неизбежно отклоняются галактическими и межгалактическими магнитными полями, но чем выше их энергия, тем отклонение меньше. К сожалению, на пути космических лучей самых высоких энергий, рождающихся за пределами нашей галактики, встает так называемое ГЗК-отсечение, предсказанное в 1966 году Георгием Зацепиным, Вадимом Кузьминым и независимо от них американским физиком Кеннетом Грайзеном.
Частицы с энергией от 6х1019 эВ (60 эксаэлектронвольт) активно взаимодействуют с фотонами микроволнового фона, порождая пионы, пока их энергия не упадет ниже указанного порога. Средняя дистанция гашения энергии таких частиц — 50 Мпк, что наряду с большими видимыми отклонениями более слабых UHECR от истинных позиций источников непозволяет полноценно заниматься «астрономией ультравысоких энергий». Новое исследование добавляет важный элемент в понимание того, как все же могут наблюдаться частицы с энергиями, близкими к этому пределу.
Фото: Институт ядерных исследований РАН
Фото: Институт ядерных исследований РАН
«Ъ-Наука» побеседовал с ведущим автором статьи «Изображения космических лучей сверхвысокой энергии от точечных источников» Константином Долгих, стажером-исследователем ИЯИ РАН и аспирантом кафедры физики частиц и космологии МГУ имени М. В. Ломоносова.
— Что вам в результате удалось получить?
— Нам удалось создать компьютерную модель, показывающую, как изображения источников космических лучей трансформируются под влиянием внегалактического магнитного поля. Мы изучили, как их изображения из точки могут «размазываться», показали, как поток частиц может усиливаться или ослабевать, проходя через внегалактическое магнитное поле. В исследовании рассматривались магнитные поля напряженностью 1 наногаусс с характерным масштабом когерентности 1 мегапарсек.
— Статья уже вышла?
— Она была почти готова еще в декабре прошлого года, и есть ее препринт. Также она опубликована в научном журнале Advances in Space Research. Это мой первый такой опыт, и для меня было некоторой неожиданностью, что это такой долгий процесс.
— Кто еще участвовал в проекте? Как была организована работа?
— В проекте участвовала группа ученых: д.ф.-м.н., директор лаборатории астрофизики и космологии в Париже Дмитрий Семикоз, профессор РАН, заместитель директора ИЯИ РАН Григорий Рубцов, академик РАН, заведующий отделом экспериментальной физики ИЯИ РАН Игорь Ткачев и к.ф.-м.н., сотрудник Брюссельского свободного университета Александр Корочкин. Все данные мы получали путем компьютерного моделирования на суперкомпьютере, весь результат — это компьютерная симуляция. Внегалактическое магнитное поле генерируется случайным образом с интересующими нас свойствами в среднем по большой области.
Фото: Институт ядерных исследований РАН
Фото: Институт ядерных исследований РАН
Основным инструментом был небольшой суперкомпьютер в нашем институте. Однажды мне даже довелось работать с ним напрямую, а не через удаленный доступ. Кроме того, мы использовали специальный программный код, который разрабатываем совместно с профессором РАН, в.н.с. отдела теоретической физики ИЯИ РАН Олегом Калашевым и планируем сделать более доступным для научного сообщества.
Моя основная задача заключалась в работе с вычислительной частью проекта. Можно сказать, я выступал в роли продвинутого оператора ЭВМ. Мне даже пришлось превратить свой ноутбук в сервер для небольшого сайта, где мы демонстрировали результаты симуляции для интерактивного анализа.
— С какими сложностями пришлось столкнуться в процессе исследования?
— Основная сложность заключалась в изучении интересных для нас эффектов на больших расстояниях — свыше десятка мегапарсек: тут нужно попасть в небольшую галактику размером меньше мегапарсека в условиях турбулентного магнитного поля. Это все равно что стрелять из лука в мишень на большом расстоянии в условиях порывистого ветра. Направление вроде бы понятное, но стрелу сносит. Это можно решить двумя способами: либо запускать очень много стрел в разные стороны и ждать, пока какая-нибудь попадет в цель, либо как-то угадать, куда надо стрелять. Первый вариант плох тем, что даже на суперкомпьютере такая симуляция занимает много времени. Мы поступили иначе: сначала научились «попадать в цель» на малом расстоянии, а затем медленно отдалялись от нее, не меняя структуры магнитного поля.
— Насколько важна международная коллаборация в подобных исследованиях? Какие перспективы сотрудничества вы видите?
— У нас активно развивается международное сотрудничество. Например, благодаря контактам Александра Корочкина с коллегами в Бельгии мы получили доступ к новым моделям галактического магнитного поля.
Практически всю работу можно выполнять и в России. Единственная проблема — важность участия в международных конференциях. Совместную работу с зарубежными коллегами мы ведем через видеоконференции. Важно отметить, что работа группы российских участников получила поддержку Российского научного фонда (грант 22-12-00253, руководитель С. В. Троицкий), что позволяет нам проводить исследования на высоком уровне. Моя работа поддержана стипендией фонда «Базис».
Что видит наблюдатель
Фото: Институт ядерных исследований РАН
Что видит наблюдатель
Фото: Институт ядерных исследований РАН
— А в чем заключается новизна работы? Что делает ее уникальной, что не удавалось предшественникам?
— Раньше считалось, что внегалактическое магнитное поле просто немного «размазывает» космические лучи. Мы показали, что картина гораздо сложнее. В некоторых случаях поток космических лучей может ослабевать в сотни раз по сравнению с ситуацией без магнитного поля. А иногда магнитные поля могут работать как линза, усиливая поток от определенных источников, но вероятность оказаться в такой ситуации заметно меньше.
— И какое значение имеют эти результаты?
— Наше исследование помогает понять природу ярких пятен (hotspot), которые наблюдаются в реальных данных. Кроме того, это влияет на оценку количества источников космических лучей вблизи нашей галактики. По сути, мы приближаемся к пониманию фундаментальных процессов во Вселенной.
Обнаружено, что проходящие через магнитные поля космические лучи формирует разные типы структур — узлы (области повышенной концентрации частиц), волокна (протяженные области с высокой плотностью частиц) и пустоты (где поток частиц значительно ослаблен) — magnetic knots, filaments and voids. То есть каустический узор, возникающий после распространения через межгалактическое магнитное поле, усиливает небольшое количество источников в так называемых волокнах и узлах, а с пустотами все наоборот. Типичный поток в узлах на порядок мощнее среднего (под средним подразумевается ожидаемый поток от источника в предположении, что он подчиняется закону обратных квадратов), в волокнах он по крайней мере в два раза больше, а в магнитных пустотах — по крайней мере в два раза меньше.
Ближайшие галактики — трехмерная визуализация потенциально интересных объектов на расстоянии 6 с небольшим мегапарсек, в центре Млечный Путь, недалеко отмечен Cen A
Фото: Институт ядерных исследований РАН
Ближайшие галактики — трехмерная визуализация потенциально интересных объектов на расстоянии 6 с небольшим мегапарсек, в центре Млечный Путь, недалеко отмечен Cen A
Фото: Институт ядерных исследований РАН
Наблюдаемые яркие пятна — области усиленного потока космических лучей — могут возникать в результате комбинированного воздействия галактических и межгалактических магнитных полей. Это открытие может объяснить некоторые загадочные наблюдения, сделанные ранее. Ожидаем, скажем, что все эти результаты приблизят нас к пониманию того, как получаются несколько характерных ярких пятен в данных Telescope Array и Pierre Auger Observatory, детекторы которых десятилетиями накапливали статистику.
Основной целью исследования было показать, что наблюдаемые яркие пятна радиусом 10–20 градусов в данных UHECR могут быть искаженными следами от близлежащих точечных источников, возмущенных как в галактическом, так и в межгалактическом магнитных полях.
— Получается, что ваше исследование открывает новые горизонты в понимании всех этих космических процессов?
— Именно так. Как и большая часть фундаментальной науки, наша работа движима научным любопытством. Мы стремимся понять, как устроена Вселенная, и каждое новое открытие приближает нас к этой цели. Космические лучи сверхвысоких энергий — это своеобразные посланники из самых энергетически активных областей космоса, и понимание их поведения критически важно для современной астрофизики. А новое исследование помогает объяснить наблюдаемые особенности в распределении этих частиц и предлагает новые методы анализа данных существующих и будущих экспериментов. Тут демонстрируется вся сложность процессов, происходящих при распространении заряженных частиц в космическом пространстве, подчеркивается важность учета влияния магнитных полей при интерпретации астрофизических наблюдений.
Детекторы массива Telescope Array, подготовленные к расстановке на местности
Фото: Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo, Институт ядерных исследований РАН
Детекторы массива Telescope Array, подготовленные к расстановке на местности
Фото: Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo, Институт ядерных исследований РАН
— Каковы теперь ваши планы на будущее? Что планируется сделать в дальнейшем?
— Наша симуляция все еще далека от реальности, и есть два возможных направления по ее улучшению. Во-первых, можно взять каталог галактик и выбирать координаты реальных кандидатов в источники — сейчас мы попробовали просимулировать картинку от известного в узких кругах источника Cen A (одна из ближайших к нам радиогалактик в созвездии Центавра), с ним уже давно связывают яркое пятно на небе, нам в принципе даже примерно удалось его воспроизвести, но не все там нам еще нравится. Во-вторых, если мы переключимся на новую модель межгалактического магнитного поля, уже учитывающую объекты в наших окрестностях, которая обещает быть точнее, то реалистичность и научная значимость нашей симуляции наверняка возрастет. В-третьих, если пытаться симулировать данные от всего каталога источников, то это будет вычислительно тяжело даже на суперкомпьютере, и вот у меня появился ряд идей, как можно серьезно ускорить этот процесс. Вообще, есть надежда, что однажды мы сможем учесть столько различных факторов, что способны будем реально воспроизвести карту неба, получаемую Telescope Array и Pierre Auger Observatory!
Особенно интересно работать с новыми данными по магнитным полям и совершенствовать наши модели. Мы надеемся, что это поможет лучше понять природу космических лучей сверхвысоких энергий и их взаимодействие с магнитными полями Вселенной.
Подготовлено при поддержке пресс-службы ИЯИ РАН