Астрономи визначилися зі своїми пріоритетами на найближчі 10 років. Зокрема, мова йде про вивчення космічних променів з надвисокими енергіями поблизу так званої межі Грейзена-Зацепіна-Кузьміна - теоретично можливої межі енергії, що породжується віддаленими від нас астрономічними об'єктами. Математичний опис цього явища був представлений в 1966 році Кеннетом Грейзеном, Георгієм Зацепіним і Вадимом Кузьміним.
Така межа обумовлена взаємодією протонів з фотонами реліктового мікрохвильового випромінювання. Протони генерують енергією вище 50 ексаелектронвольт і взаємодіють з фотонами, таким чином утворюючи піони, що призводить до втрати енергії протонами.
Вважається, що космічні промені з енергією вище цієї межі не можуть долати великі відстані, оскільки втрачають енергію в процесі взаємодії.
В свою чергу, це означає непряму вивчення анізотропії напрямків космічних частинок, які прямують до Землі. Тобто астрономи нібито розміщують нашу планету в "центр всесвіту", оцінюючи природу та розвиток матерії, - адже вона складається з частинок, які виникли в перші секунди його існування.
Так, попередні вимірювання гамма-випромінювання вказують про наявнсть прямого руху, але час робить свою справу: заряджені частинки зазнають розсіювання в чисельних магнітних полях. А відтак дослідники не можуть визначити точне місце розташування першородних джерел.
Крім того, з підвищенням енергії частинок розсіювання зменшується, і наше бладнення спостерігають космічні промені вище межі ГЗК (~10^20 еВ), а це начебто неможливо. Таким чином ми не можемо сказати, які самі космічні джерела можуть бути "батьками" найдавнішньої енергії космосу.
Нова сила, що формує Всесвіт
Для спостереження значної кількості частинок з надвисокими енергіями вченими були побудовані великі наземні об'єкти, такі як "Обсерваторія П'єра Оже" в Аргентині та "Телескопічний центр" у США. Ці лабораторії дозволяють вивчати напрямки проходження частинок CR UHE з різних куточків небесної сфери.
Однак глобальні дослідження стикаються з проблемами через процедурні труднощі, пов'язані з різними оцінками енергії частинок у кожному детекторі. Що призводить до великих розбіжностей в експериментальних оцінках, а отже питання про створення космічних детекторів набуває додаткового сенсу.
Космічні детектори, на зразок JEM-EUSO, перебувають лише на стадії розробки. Вони можуть сканувати всю небесну сферу без необхідності внесення поправок, тобто фізики отримують технічний інструмент для виміру анізотропії космічних променів.
Як відомо, анізотропія, тобто надлишок частинок, що прилітають з певного напрямку, стає темою десятиліття в науковій літературі.
Не так давно вчені опублікували нове дослідження, де запропонували альтернативну теорію походження космічних променів і, відповідно, темної енергії.
Науковці вивчали "нестандартні" моделі, які кидають виклик нашому розумінню фізичної природи космосу. Подібні моделі припускають, що частинки з неймовірно високою енергією, приблизно ~100 ексаелектронвольт (ееВ), можуть бути результатом розпаду гіпотетичних важких частинок з масою близько ~10^24 еВ, залишків тї самої першої секунди нашого світу. Не виключено, вони містять ключ до загадкової темної матерії, зокрема в нашій галактиці Чумацький Шлях.
Тайож ймовірно, що асиметрія в надходженні частинок надвисоких енергій космічних променів повинна спостерігатися внаслідок розташування Сонячної системи на периферії Чумацького Шляху відносно масивного обєкту в центрі галактики.
Однак останні експериментальні дані вказують, що траєкторія руху частинок з енергіями від 10 до 100 еВ суперечить наявним математичним моделям. Черговий виклик для астрофізиків.
Інша альтернативна теорія зосереджена на новому типі взаємодії між природними об'єктами. Кілька наземних експериментів та астрофізичних спостережень надали докази існування унікальної взаємодії. На відміну від чотирьох відомих у фізиці сил (сильної, слабкої, електромагнітної та гравітаційної), ця нова взаємодія не має калібрувальної інваріантності й демонструє анізотропну поведінку на різних масштабах, починаючи від кордонів слабкої взаємодії (10^-17 см) до галактики (10^22 см) і далі.
Наразі факт існування некалібрувальної взаємодії не піддається сумніву. Вона діє в діапазоні від 0,01 до 0,08 гравітаційної сили (gf) у магнітному полі 10^-13 Тл, всередині апертури соленоїда 40-53 мм і з масою наважки 26-30 грамів.
Фізична природа цієї нововідкритої сили стає зрозумілішою при розгляді "б'юонної теорії". Згідно з нею, фізичний простір і світ елементарних частинок виникають з неспостережуваних об'єктів, які називаються "б'юонами". Теорія стверджує, що на процес формування маси в елементарних частинках можуть впливати потенціали фізичних полів, в результаті чого виникає сила, яка відштовхує речовину від областей з ослабленим потенціалом. Кожна частинка набуває енергію Dmc^2 завдяки цьому процесу, де Dm представляє зміну маси.
Малюнок 1. Напрямки приходу частинок космічних променів з енергією 1 - 10 ТеВ за даними детекторів: Мілагро (основна карта), Тибет (червоний еліпс) і Супер-Каміоканде (рожевий еліпс). Зростання інтенсивності: синій → червоний.
Подальші експериментальні дослідження були проведені для вивчення нової взаємодії. Гравіметри, оснащені магнітами, плазмові системи, а також вимірювання зміни швидкості бета-розпаду радіоактивних елементів дали важливу інформацію. А саме: речовина викидається вздовж конуса з розкриттям приблизно 100 градусів навколо вектора Ag, який визначає глобальну анізотропію фізичного простору. Координати цього вектора в другій екваторіальній системі становлять приблизно a " 293 градуси ± 10 градусів (праве піднесення) і d " 36 градусів ± 10 градусів (схилення).
Астрофізичні спостереження підтвердили анізотропні властивості фізичного простору. Наприклад, анізотропія в русі пульсарів у картинній площині та розподіл зоретрусів підтверджують наявність цього явища.
Одним із цікавих наслідків нової сили є її потенційна роль у спостережуваній анізотропії космічних променів. Оскільки ця сила діє на всі частинки, що мають масу, вона пояснює спостережувані варіації руху космічних променів. Однак важливо зазначити, що ця нова сила також має ізотропні властивості.
Цікаво, що деякі дослідники використовували концепцію нової природної сили для пояснення іншого загадкового астрофізичного явища, відомого як темна енергія. Згідно з їхніми висновками, на відстанях приблизно від 10^27 до 10^28 см нова сила перевершує силу гравітації, що призводить до ефекту відштовхування, який розштовхує галактики.
Такі відкриття надають змогу зазирнути у приховані сили, що формують всесвіт, і відкривають певні перспективи для розгадки таємниць темної матерії й темної енергії.
Зараз дослідження продовжуються, і вчені залишаються відданими розумінню глибинної структури нашого Всесвіту та її глибокого впливу на небесні явища.
Інша глобальна анізотропія
Новий експеримент по суті змінив наше розуміння анізотропії космічних променів. Але залишаєиось песимітами: важливі підказки не означають науковогоопису походження й тим більше поведінки. Ми все ще знаходимось на етапі пошуку, сподіваючись на на детектори Мілагро, Тибет і Супер-Каміоканде, які працюють з енергією приблизно 10 ТеВ.
Анізотропія в цьому контексті означає нерівномірний розподіл космічних променів у різних регіонах всесвіту. Астрофізики виявили кілька областей з переважним приходом частинок. Ці космічні регіони були ідентифіковані за допомогою іншоїо системи координат: маємо Область A (a = 70˚ ± 10˚, d = 0˚ ± 20˚), область B (a = 130˚ ± 15˚, d = 30˚ ± 20˚) і область Cygnus, відповідно, a = 305˚ ± 5˚, d = 40˚ ± 5˚.
Таким чином, анізотропія космічних променів проявляється в невеличких масштабах, однак вона все-таки вказує на особливості поведінки частинок високих енергій. Можливо, анізотропія виникає на "перехресті" галактичних магнітних полів - саме вони "розсіюють" частинки з енергією близько 10 ТеВ і примушують їх втрачати заданий напрямок: світло точно не розповсюджується по апріорно заданій прямій.
Крім того, фізики не виключають можливість додаткового прискорення частинок після зіткнення сонячного вітру та міжзоряного середовища. Ще одним вірогідним поясненням, яке розглядалося, було введення нової глобальної анізотропної сили. Цю нелінійну силу представляють як серію змін величини, DAS (Directional Anisotropy Signal - сигнал спрямованої анізотропії). Розрахунки привели до першого члена цього ряду:
(1) F = 10^(-7) dyne
Дослідження припустило, що нова сила може діяти як потужний прискорювач для протонів та інших частинок з магнітним моментом, таких як електрони та нейтрони. Протони, зокрема, були визначені як потенційні бенефіціари цієї сили, з оціночним значенням DAS/DX 10^16 Гс.
У космічному просторі DAS протона сягає майже 10^11 Гс см. Звідти виникає критична межа для нашого Всесвіту, яка може бути детермінована векторними потенціалами магнітного і гравітаційного полів. Нова сила діє в масштабі таких відстаней - саме вона передає енергію протонам і досягає рівня близько 10^27 еВ. Нам лише здається, що перевищується межа Грейзена-Зацепіна-Кузьміна (ГЗК).
П'ята сила природи
Відмитимо, що при оцінці енергій космічних променів використовувалося лінійне наближення, що призводить до значень, які на порядок більші, ніж ті, які отримані за допомогою наземних експериментів.
Крім того, реліктове випромінювання природним чином зменшує енергетичні рівні. Однак вчені сподіваються, що нова сила якимось чином впливає на анізотропію космічних променів надвисоких енергій.
Малюнок 2. Прогнозовані напрямки прильоту CR UHE, прискорених новою силою природи F. Ag - напрямок космологічного векторного потенціалу; AE - напрямок векторного потенціалу магнітного поля Землі; AS - напрямок векторного потенціалу магнітного поля Сонця (диполярного з 2000 р.); 21.03 - характерні дані орбіти Землі навколо Сонця; F - напрямки дії нової сили; CR - прогнозовані напрямки прильоту CR UHE в характерні дні 21.03 і 21.12.
Згідно компромісної моделі (малюнок 2), існує напрямок дії невідомої поки що сили: вектор Ag, потенціал від магнітних полів Землі та Сонця. Також прогнозується напрямок приходу CR UHE, враховуючи рух Землі навколо Сонця.
Примітно, що основний напрямок анізотроп збігається з одним із напрямків нової сили, тобто вона надає додатковий потенціал частинкам. А ми маємо напрямок для подальших наукових пошуків.
