Уночі 15 жовтня 1991 року телескопи детектора Fly's Eye («Мушине око») на полігоні Даґвей в Юті зафіксували в небі спалах, якого там не мало бути. Розрахунок дав енергію частинки, що його спричинила: 3,2×10²⁰ електронвольтів (із похибкою ±0,9), або близько 51 джоуля.
Для побутового предмета 51 джоуль майже нічого не значить: стільки має бейсбольний мʼяч, кинутий зі швидкістю близько 100 км/год. Але тут уся ця енергія припала на одну частинку, меншу за атом. За це її прозвали Oh-My-God, і вона досі лишається найенергійнішим космічним променем за всю історію спостережень.
Як побачити одну частинку
Самої частинки ніхто не бачив. Космічний промінь вдаряється в ядро атома високо в атмосфері й запускає лавину вторинних частинок, яка летить до землі. Fly's Eye був набором телескопів, що вночі дивилися в небо й ловили сині спалахи від таких лавин. За висотою та яскравістю спалаху можна обчислити енергію частинки, що його породила.
Сучасні детектори працюють ще й на землі. Обсерваторія Telescope Array в Юті складається з 507 наземних станцій на площі 700 км². Лавина від частинки Аматерасу зачепила 23 станції, розкидані на 48 км²: один удар в атмосфері накрив територію невеликого міста.
Скільки це насправді
Великий адронний колайдер, найпотужніший прискорювач людства, розганяє протони до енергій, у десятки мільйонів разів менших. Побудувати таку машину для 3,2×10²⁰ електронвольтів сьогодні немає як.
Цифри швидкості виглядають ще дивніше. Якщо Oh-My-God була протоном, то вона рухалася так близько до швидкості світла, що в перегонах із променем відставала б на 1 сантиметр за 245 000 років. Час для такого протона майже зупиняється: близько 4,4 світлового року до Альфи Центавра він за власним годинником подолав би менш ніж за мілісекунду.
Втім, це умовний розрахунок. Склад таких частинок досі невідомий: це може бути протон, а може бути важче ядро, наприклад заліза. Від цього залежить і швидкість, і те, як далеко частинка могла прилетіти.
Чому джерело має бути близько
У 1966 році, невдовзі після відкриття реліктового випромінювання, Кеннет Ґрайзен, Георгій Зацепін і Вадим Кузьмін зрозуміли: для найенергійніших протонів Всесвіт непрозорий. Вони зіштовхуються з фотонами цього випромінювання й щоразу втрачають частину енергії. Тому поріг близько 5×10¹⁹ електронвольтів названо межею ГЗК, а обсерваторія імені Пʼєра Оже підтвердила, що вище нього потік частинок різко падає.
Висновок простий: частинка з енергією Oh-My-God навряд чи могла подолати космологічні відстані, її джерело має бути порівняно близько, за оцінками, у межах кількох сотень мільйонів світлових років. Для важких ядер ця оцінка інша, але суті це не змінює. Шукати слід неподалік.
Аматерасу і порожнеча
27 травня 2021 року Telescope Array зафіксував другу за енергією відому частинку: 2,4×10²⁰ електронвольтів, близько 40 джоулів. Її назвали на честь японської богині сонця Аматерасу. Результат опубліковано у рецензованому журналі Science у листопаді 2023 року.
Напрямок прильоту вказав на Місцеву порожнечу, ділянку космосу майже без галактик поруч із Чумацьким Шляхом. Автори запропонували три пояснення: магнітне поле сильно відхилило частинку, поблизу є невідоме джерело, або наше розуміння фізики частинок неповне.
Там немає нічого настільки енергійного, щоб її породитиДжон Метьюз, співкерівник Telescope Array, 2023
На початку 2026 року в Astrophysical Journal вийшла робота з Інституту фізики Макса Планка. Її автори змоделювали поширення космічних променів у магнітних полях і побудували карти ймовірного походження. Висновок: Місцева порожнеча менш імовірна, ніж близька галактика з бурхливим зореутворенням на кшталт M82. Це статистична оцінка, а не знайдене джерело.
Чому це важливо
Космічні промені такої енергії показують, що Всесвіт прискорює речовину далеко за межі всього, що можна відтворити на Землі. Наднові для цього, за словами дослідників Telescope Array, замало. Кандидати є, але жодного не підтверджено.
Є й практичний бік: це природна лабораторія для фізики за межами колайдерів. Якщо стандартні пояснення не спрацюють, відповідь може лежати у новій фізиці. Головна перешкода в кількості даних, бо таких подій одиниці. Telescope Array розширюють на додаткові 2900 км², а обсерваторія імені Пʼєра Оже в Аргентині вже охоплює 3000 км² і оновлює обладнання. Наступна подібна частинка може прилетіти будь-якої ночі, і ймовірність її зловити зростає.
Фото: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA). Подяка: J. Gallagher (University of Wisconsin), M. Mountain (STScI), P. Puxley (NSF).
