Космические лучи сверхвысоких энергий (Ultrahigh Energy Cosmic Rays, UHECRs) являются частицами с наивысшей энергией во Вселенной, превышающей энергию, достижимую человеком, более чем в миллион раз. Несмотря на то, что их существование известно уже 60 лет, учёным до сих пор не удавалось сформулировать удовлетворительное объяснение их происхождения, которое бы соответствовало всем наблюдениям.

Однако новая теория, предложенная физиком Нью-Йоркского университета Гленнис Фаррар, предоставляет жизнеспособное и проверяемое объяснение механизма создания космических лучей сверхвысоких энергий. «После шести десятилетий усилий происхождение загадочных частиц с наивысшей энергией во Вселенной, возможно, наконец-то было определено», – говорит Фаррар.

Теория предполагает, что эти лучи ускоряются в турбулентных магнитных потоках, возникающих при слиянии двойных нейтронных звёзд. Эти потоки выбрасываются из остатков слияния до формирования конечной чёрной дыры. Процесс одновременно генерирует мощные гравитационные волны, некоторые из которых уже были обнаружены учёными коллаборации LIGO-Virgo.

Симуляция слияния двух нейтронных звёзд, после которых образуется чёрная дыра и магнитное поле становится более организованным, в конечном итоге создавая структуры, способные поддерживать джеты, которые питают короткие гамма-всплески. Красные цвета указывают на более низкую плотность. Зелёные и белые линии представляют магнитные поля. Источник: NASA / AEI / ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla

Теория Фаррар впервые объясняет две наиболее загадочные особенности: тесную корреляцию между энергией космических лучей сверхвысоких энергий и их электрическим зарядом, а также экстраординарную энергию нескольких событий с самой высокой энергией.

Это открытие предоставляет новый инструмент для понимания наиболее энергетически экстремальных событий во Вселенной, таких как слияние двух нейтронных звёзд с образованием чёрной дыры. Этот процесс ответственен за создание многих драгоценных и экзотических элементов, включая золото, платину, уран, йод и ксенон.

Из анализа Фаррар следуют два вывода, которые могут обеспечить экспериментальную проверку в будущих исследованиях. Исследование предполагает, что космические лучи сверхвысоких энергий могут образовываться в процессе слияния нейтронных звёзд. При этом слиянии происходит синтез редких тяжёлых элементов, таких как ксенон и теллур. Это открытие даёт учёным новое направление для поиска: теперь они будут искать следы этих элементов в данных о космических лучах сверхвысоких энергий. Теория также предсказывает, что при столкновениях космических лучей сверхвысоких энергий могут образовываться нейтрино очень высоких энергий. Важно, что эти нейтрино должны сопровождаться гравитационными волнами, которые возникают при слиянии нейтронных звёзд — предполагаемом источнике этих космических лучей.

Эта теория открывает новые перспективы в изучении космических лучей сверхвысоких энергий и может привести к значительному прогрессу в понимании экстремальных процессов во Вселенной.