Найти в Дзене

Черные дыры и тайна космических лучей: найдено правдоподобное объяснение шестидесятилетней загадки

Как ветры сверхмассивных черных дыр могут объяснить происхождение сверхвысокоэнергетических космических лучей
Как ветры сверхмассивных черных дыр могут объяснить происхождение сверхвысокоэнергетических космических лучей

Вселенная излучает неисчерпаемый поток энергии, часть которого достигает Земли в виде электромагнитных волн, нейтрино и космических лучей. Эти лучи представляют собой не световые потоки, а мельчайшие частицы, чаще всего атомные ядра, которые разогнаны до скоростей, близких к световым. Многие из них возникают в экстремальных процессах, сопровождающих жизнь и смерть звезд, однако самые мощные частицы, открытые ещё в 1960-х годах, до сих пор остаются загадкой. Их энергия в миллионы раз превышает ту, что мы способны воспроизвести в земных ускорителях, и их происхождение десятилетиями оставалось спорным вопросом в науке.

Свежие исследования группы астрофизиков из Норвежского университета естественных и технических наук позволяют предположить, что разгадка скрыта в феномене, который сам по себе поражает масштабами — в ветрах сверхмассивных черных дыр. Эти космические колоссы, находящиеся в центрах галактик, поглощают колоссальные массы вещества, но часть материи, вопреки гравитации, выбрасывается наружу в виде потоков со скоростью до половины скорости света. Такие ветры способны перестраивать целые галактики, лишая их газа и подавляя рождение новых звезд. Теперь же есть основания полагать, что они могут быть и гигантскими ускорителями частиц.

Физика этих процессов выглядит впечатляюще. Внутри ядра атома заключены протоны и нейтроны, и когда такие частицы ускоряются в экстремальных условиях, они достигают энергии порядка 10²⁰ электрон-вольт. Для наглядности: столь малый объект способен нести энергию, сопоставимую с движением теннисного мяча, пущенного на скорости 200 км/ч. Это примерно в миллиард раз больше, чем дают самые мощные эксперименты на Большом адронном коллайдере. На Земле такие частицы безопасны — они мгновенно взаимодействуют с атмосферой, создавая каскады вторичных частиц, но в космосе их существование ставит перед наукой фундаментальные вопросы.

Ранее выдвигались гипотезы, связывавшие происхождение этих частиц с гамма-всплесками, взрывами сверхновых или активными джетами чёрных дыр. Однако у каждой из моделей были пробелы. Новая работа показывает, что именно ветры чёрных дыр обладают подходящими характеристиками для разгона ядер до экстремальных энергий. В моделях учитывались химический состав, плотность и динамика потоков, и оказалось, что условия вблизи активных ядер галактик идеально подходят для такого ускорения.

Особый интерес вызывает согласование модели с наблюдаемым химическим составом космических лучей. В определённых диапазонах энергии структура частиц остаётся необъяснённой другими теориями, тогда как модель «ветров чёрных дыр» демонстрирует естественное объяснение. Более того, она открывает перспективу тестирования через нейтринную астрономию. Ведь вместе с ускоренными ядрами должны рождаться нейтрино — частицы-призраки, которые почти не взаимодействуют с веществом, но несут информацию о самых экстремальных процессах во Вселенной.

Таким образом, открывается новая глава в понимании космических лучей. Если гипотеза подтвердится, то мы сможем рассматривать сверхмассивные черные дыры не только как разрушительные силы, формирующие эволюцию галактик, но и как уникальные лаборатории ускорения частиц. Это позволит объяснить наблюдаемые характеристики космического излучения, лучше понять его воздействие на планеты и космические аппараты и даже оценить возможные риски для будущих межпланетных экспедиций.

Наука ещё далека от окончательного ответа. Но каждое новое исследование, подобное этому, помогает сложить частицы мозаики в цельную картину. Космические лучи, одна из самых загадочных форм энергии во Вселенной, постепенно перестают быть тайной, а черные дыры всё больше подтверждают свой статус не только разрушителей, но и созидателей космических процессов.