Для серьезного анализа ситуации необходимо существенно увеличить статистику – количество данных на самом интересном, высокоэнергетичном конце спектра. Для этого планируются и сооружаются детекторы нового поколения. По идее, они должны не только увеличить количество данных, но и повысить их качество. Главное – определять сорт пришедшей частицы.
Обычно детекторы размером в несколько квадратных метров объединяются в наземные массивы, покрывающие десятки квадратных километров. Время прохождения частиц определяется с точностью до миллиардных долей секунды, что позволяет определить направление первоначальной частицы с точностью до градуса. Самый большой наземный массив AGASA работает в Японии. Размеры его достигают ста квадратных километров, и за год он регистрирует одну частицу в интересующей нас области – вот такие масштабы набора статистики.
Так выглядит схема расположения фотоумножителей во льду
Еше один метод для регистрации высокоэнергичных частиц основан на том, что частицы ливня возбуждают азот в атмосфере, который потом флюоресцирует. Свет от этой флюоресценции может быть виден на расстоянии двадцати километров от оси ливня при помощи детекторов на Земле. Группа «Мушиный глаз» была пионером в этой области. Их установка успешно работает в горах пустыни Ута в США. Она состоит из двух частей, разнесенных на двенадцать километров друг от друга, чтобы можно было видеть каждую зарегистрированную частицу в стереопроекции.
Две эти методики дополняют друг друга. Первая работает постоянно, но она фиксирует ливень частиц лишь в один-единственный момент, когда он соприкасается с поверхностью Земли. Вторая позволяет проследить за процессом развития ливня от верхних слоев атмосферы. Но этот метод работает лишь десять процентов времени: для него необходима ясная, безоблачная и вдобавок безлунная ночь, чтобы ничто не мешало регистрировать достаточно слабый свет от ливня.
Есть уже несколько амбициозных проектов детекторов будущего поколения. Джон Линсли из университета в Нью-Мексико предложил расположить на спутнике камеру с сорокаметровым зеркалом, чтобы она наблюдала за поверхностью Земли. Есть надежда улавливать не только флюоресценцию от лучей, но и черенковский свет, отраженный от наземного лада или воды. Несмотря на большие технические и финансовые сложности, проект выглядит очень привлекательно потому, что позволит просматривать десяток тысяч квадратных километров, что превышает современные возможности в сотню раз.
Масахиро Тешима со своими коллегами из Токио планирует создать колоссальную систему оптических телескопов, чтобы резко повысить скорость набора данных и качество информации в методе флюоресценции.
Джим Кронин из Чикаго руководит международным сотрудничеством, в которое входят 150 человек из таких стран: Аргентина, Армения, Австралия, Боливия, Бразилия, Чили, Китай, Франция, Грузия, Германия, Греция, Япония, Мексика, Россия, Словения, Испания, Великобритания, США и Вьетнам. Нет времени рассуждать о размахах сотрудничества, но впечатляет уже сам список стран, которые мирно работают друг с другом. Проект назван «Оже» в честь Пьера Оже, открывшего широкие атмосферные ливни. Он будет состоять из двух массивов детекторов: один – в Аргентине, другой – в Северной Америке. В центре каждого массива будет стоять флюоресцентный детектор. Его будут окружать 1600 водяных черенковских детекторов, образуя шестиугольную сеть со стороной в полтора километра.
Кроме космических частиц, на Землю из космоса прилетают и энергичные гамма-лучи. Их испускают заряженные частицы. Изучают гамма-лучи с двоякой целью. Во-первых, чтобы понять процессы, идущие в далеком космосе, и узнать о строении тамошних обитателей. Во-вторых, чтобы узнать, как же все-таки ускоряются частицы.
Первый кандидат на роль небесного ускорителя – гравитационный коллапс звезд. Большинство звезд существует не поодиночке, а парами. Один из способов заметить гравитационный коллапс звезды – изучать излучение, которое она испускает, захватывая своим колоссальным гравитационным полем вещество своего компаньона. Это «высасывание» вещества из окружающей среды называется аккрецией.
В случае падения на компактный небесный объект выделение энергии идет гораздо энергичнее. Происходит оно в разных интервалах длин волн — в ультрафиолетовых лучах, рентгеновских и гамма-лучах. Это очень радует астрономов, поскольку, имея в своем распоряжении широкий спектр информации, можно достаточно подробно исследовать процессы аккреции. К сожалению, большая часть лучей высокой энергии не может прорваться сквозь атмосферный заслон (спасибо ему за это, мы можем спокойно жить), и изучать их приходится на спутниках.
Спутниковые наблюдения семидесятых и восьмидесятых годов показали, что большинство активных галактических ядер излучают гамма-лучи с энергиями от двух до десяти тысяч электронвольт. Это примерно в тысячу раз больше, чем энергия лучей видимого света. Яркость таких объектов очень переменчива даже в течение дня. По скорости изменения интенсивности можно оценить размеры области излучения: она не может быть больше того, сколько успеет облететь световой сигнал за время смены интенсивности. Таким образом получается, что размеры некоторых галактических ядер не превышают размеры Солнечной системы, а излучают они в миллиарды раз больше Солнца. Такая вот арифметика.
Активные галактические ядра на сегодня считаются одним из доказательств того, что существуют черные дыры. Их масса в миллиарды раз больше солнечной. Ничем иным, кроме черной дыры, такая масса быть не может, во всяком случае, астрономы пока не изобрели ничего другого.
Но как же попадает материал на черную дыру в центре ядра? Из анализа наблюдений получается, что из плотного диска вещества, вращающегося вокруг центра. Эта модель была создана еще в начале семидесятых годов Николаем Шакурой и Рашидом Сюняевым из Москвы. Скорость вращения на внутренних частях диска гораздо больше, чем на его краях. Вещество постепенно перетекает с внешних окрестностей внутрь.
Каким-то образом звезда ускоряет некоторые частицы до очень высоких энергий, а они уже излучают энергичные гамма-кванты. Этот процесс рассчитали в 1980 году все те же Сюняев и Лев Титарчук в Москве, а потом и ipynna Франческо Харда из Триеста. На самом деле, частицы не излучают фотоны, а сталкиваются с низкоэнергетичными фотонами, постепенно увеличивая энергию последних. Остается понять, как ускоряются частицы до колоссальных энергий.
Есть две гипотезы. Первая основана на том, что магнитное поле в диске аккреции может быть перекручено причудливым образом из-за сложных спиральных путей падающей на звезду материи. Крис Тут и Джив Прингл из Кембриджа показали, что в принципе подобная конфигурация магнитных полей может ускорять частицы.
Вторая гипотеза связана с тем, что при переходе вещества через звуковой барьер возникают ударные волны, и они могут ускорять протоны, дающие потом множество вторичных частиц. Изучая спектр излучения от диска аккреции, ученые надеются понять, как выглядит гравитационное поле вблизи черной дыры и как идет процесс падения на нее вещества.
Таковы главные направления астрофизики высоких энергий. Область молодая, развивающаяся, неустоявшаяся, но очень интересная. Ее тематика, с одной стороны, охватывает всю Вселенную, а с другой – уходит на уровень мельчайших квантов вещества – нейтрино. Да и по времени – от рождения космоса до наших дней. Попросту говоря, наука обо всем пространстве и обо всем времени. У вас не захватывает дух?
Рафаил Нуделъман
Судьбы Вселенной
Впору давать объявление: «Потерялась теория. Нашедшего просят вернуть…» и так далее. Нет, в самом деле, я еще живо помню, как на лекциях в университете нам излагали теорию тепловой смерти Вселенной и как затруднялись наши лекторы по марксизму вколотить в наши недоверчивые головы, что теория эта неверна.