Эксперимент должен был помочь объяснить пропажу гамма-лучей блазаров — но оставил больше вопросов.
Международная группа ученых впервые в мире создала плазменные «огненные шары» на протонном суперсинхротроне в ЦЕРНе. Эксперимент был призван выяснить, почему мы не наблюдаем вторичного гамма-излучения блазаров.
Блазары — это активные галактики, питаемые сверхмассивными черными дырами, которые испускают узкие пучки частиц и излучения в направлении Земли, движущиеся с почти световой скоростью. Эти струи производят интенсивное гамма-излучение мощностью до нескольких тераэлектронвольт (1 ТэВ = 10¹² (триллион) эВ), которое регистрируется наземными телескопами. Когда эти ТэВ-гамма-лучи распространяются в межгалактическом пространстве, они рассеиваются на фоновом излучении звезд, создавая каскады электрон-позитронных пар. Эти пары, в свою очередь, должны рассеиваться на реликтовом излучении, порождая гамма-лучи более низкой энергии (порядка гигаэлектронвольт) — однако они не зафиксированы космическими гамма-телескопами, такими как спутник «Ферми». И до сих пор неясно, почему.
Пропавшие лучи
Одно из объяснений заключается в том, что пары отклоняются слабыми межгалактическими магнитными полями, уводя гамма-лучи низких энергий из нашего поля зрения. Другая гипотеза, основанная на физике плазмы, предполагает, что при прохождении через разреженную межгалактическую среду пучки пар становятся нестабильными, и легкие флуктуации в них генерируют магнитные поля, достаточные для рассеивания.
Проверить обе теории решили экспериментально, использовав для этого установку HiRadMat. Электрон-позитронные пары испускал протонный суперсинхротрон, их пропускали через стену плазмы метровой толщины. Таким образом, была по сути построена сильно уменьшенная лабораторная модель блазара с изменяемыми параметрами. Результаты исследования будут опубликованы в PNAS.
Они оказались поразительными. Вопреки ожиданиям, пучок пар оставался узким и почти параллельным, с минимальными нарушениями или самоиндуцированными магнитными полями. При экстраполяции на астрофизические масштабы это означает, что пучково-плазменные неустойчивости слишком слабы, чтобы объяснить отсутствие ГэВ-гамма-лучей — что поддерживает гипотезу о наличии в межгалактической среде магнитного поля, оставшегося, вероятно, от ранней Вселенной.
«Наше исследование демонстрирует, как лабораторные эксперименты могут помочь преодолеть разрыв между теорией и наблюдениями, углубляя наше понимание астрофизических объектов, изучаемых с помощью космических и наземных телескопов. Оно также подчеркивает важность сотрудничества между экспериментальными установками по всему миру, особенно в деле прорыва в доступе к все более экстремальным физическим режимам», — прокомментировал профессор Джанлука Грегори с факультета физики Оксфордского университета.
Новые вопросы
Однако полученные данные ставят новые вопросы. Считается, что ранняя Вселенная была чрезвычайно однородной, и неясно, как магнитное поле могло возникнуть в ту первичную эпоху. По мнению исследователей, ответ может лежать за пределами Стандартной модели. Есть надежда, что будущие установки, такие как Обсерватория черенковских телескопов, предоставят данные с более высоким разрешением для дальнейшей проверки этих идей.
«Было очень интересно участвовать в таком инновационном эксперименте, который добавляет новое измерение к передовым исследованиям, проводимым в ЦЕРНе — надеюсь, наш поразительный результат вызовет интерес в сообществе плазменной (астро)физики к возможностям исследования фундаментальных космических вопросов в наземной лаборатории физики высоких энергий», — добавил профессор Субир Саркар с факультета физики Оксфордского университета.
«Для теоретика невероятно видеть, как эксперименты теперь подтверждают и расширяют идеи, которые до недавнего времени существовали только в симуляциях. Эти результаты показывают силу сочетания крупномасштабных вычислений с ведущими мировыми экспериментальными установками, такими как ЦЕРН, для изучения физики космической плазмы», — подытожил физик Пабло Бильбао, также из Оксфорда.