По нам стреляет неизвестно что

Чуть меньше года назад на околоземную орбиту отправился спутник GLAST для изучения высокоэнергетических процессов во Вселенной. Спустя два месяца, когда стало понятно, что аппаратура спутника функционирует должным образом, ему было присвоено имя итальянско-американского физика Энрико Ферми. Теперь официально GLAST положено называть Космический гамма-телескоп имени Ферми, но в обиходе его обычно сокращают просто до Fermi – так же, как Космический телескоп имени Эдвина Хаббла называют Hubble'ом.

Fermi и его главный инструмент, широкоугольный телескоп LAT, задумывались для исследования самых разнообразных объектов, которые излучают γ-лучи – фотоны самых высоких энергий. Таких объектов и событий телескоп и впрямь нашёл уже немало, и о некоторых самых заметных из них «Газета.Ru» писала.

Однако с самого начала было понятно, что основной детектор γ-квантов LAT пригодится и для изучения космических лучей – то есть заряженных частиц из глубокого космоса, бомбардирующих Солнечную систему. Для большинства из них найти «объекты», которые их излучают, не представляется возможным: магнитное поле нашей Галактики начисто перепутывает траектории заряженных частиц. Основную информацию приходится получать из их спектра – распределения космических лучей по энергии.

Электронные следы

Последнее время наибольший интерес физиков по всему миру вызывают не какие-нибудь сверхсложные ядра сверхвысоких энергий, а обычные электроны и их античастицы, позитроны, притом не таких уж и высоких энергий – от десятков до тысяч гигаэлектрон-Вольт (ГэВ). До таких энергий добираются даже земные ускорители, и тем не менее именно здесь нашёлся неожиданный сигнал космического происхождения.

Сразу несколько экспериментов, в первую очередь детектор космических лучей ATIC, облетевший Антарктиду на высотном аэростате, обнаружили избыток электронов и позитронов с энергиями от десятков до сотен ГэВ по сравнению с предсказаниями теории. Такой избыток – загадка, поскольку такие электроны долго не живут, они быстро теряют энергию в магнитном поле.

А значит, источник этих лишних электронов должен быть по галактическим масштабам «местным» – максимум тысяча-другая световых лет.

Из более далёких мест электроны пришли бы с существенно меньшей энергией.

Самой же громкой работой на этот счёт стала недавняя публикация результатов эксперимента PAMELA на борту российского спутника «Ресурс-ДК», который выяснил, что на этих энергиях становится необъяснимо много позитронов по сравнению с электронами. После результатов PAMELA стало казаться почти неизбежным, что в наших галактических окрестностях скрывается загадочный источник космических лучей или много таких источников.

Что это такое – никто не знает, но есть две основных гипотезы. Первая – вращающиеся остатки погибших звёзд, пульсары, мощное магнитное поле которых естественным образом рождает пары электронов и позитронов. Вторая гипотеза выглядит ещё более интригующе: мы видим следы распада или аннигиляции частиц, из которых состоит тёмная материя – неведомая субстанция, которой в нашем мире минимум в 5 раз больше, чем обычного вещества, но про которую мы почти ничего не знаем.

Амбивалентный Ферми и упорная PAMELA

После публикации результатов экспериментов ATIC и PAMELA все стали с нетерпением ждать, что же скажет Fermi, чувствительность которого куда лучше. И вот наконец сотрудники коллаборации, занимающейся научным «обслуживанием» спутника, прервали молчание, притом сделав это так, чтобы привлечь максимальное внимание к результатам.

В понедельник была опубликована статья, в которой сообщалось, что телескоп имени Ферми всё-таки видит какое-то странное «ужесточение» спектра электронов и позитронов (их детектор не различает). В стандартных для работ по космическим лучам координатах это ужесточение выглядит как «горб» в спектре – правда, не такой выраженный, как у ATIC. Эта работа была представлена на съезде Американского физического общества в Денвере и даже опубликована в открытом доступе журналом Physical Review Letters, который, как правило, не показывает такой щедрости, хотя и дерёт с авторов по $150 за страницу публикации.

Однако самое «сладкое» – детальный анализ собранных данных, который объективно может провести только та же команда, которая их получала, и их сравнение с результатами других экспериментов – остались за рамками понедельничной статьи. Выводы же из опубликованного можно было с равным основанием сделать хоть противоположные друг другу. Кто-то уцепился за то, горб в спектре меньше, чем у ATIC, а значит, ни невидимые пульсары, ни аннигиляция частиц тёмной материи могут и не понадобиться. Кто-то – за то, что горб всё-таки есть и необъясним стандартными теориями распространения космических лучей.

В настоящее время работа с авторским анализом данных находится на рецензии в другом журнале, но в среду утром её текст появился в архиве электронных препринтов Корнельского университета.

Вывод учёных: дополнительный источник электронов нужен. Что это такое – пока неясно.

В принципе, один лишь избыток электронов можно было бы объяснить без привлечения экстремальных объектов и нестандартной физики, однако совместный анализ результатов PAMELA и Fermi в эти рамки уже не влезает. Однако отличить тёмные пульсары от тёмной же материи учёные не в силах; объяснить данные могут обе гипотезы.

Моногем и Геминга

В рамках пульсарной гипотезы учёные попробовали для начала выяснить, какие из близких объектов способны обеспечить достаточное количество высокоэнергичных электронов и позитронов. Таких оказалось всего два – это стареющие пульсары Моногем (PSR B0656+14) и, с некоторой натяжкой, Геминга (PSR J0633+1746).

Первый, Моногем, находится в центре огромного остатка сверхновой, вспыхнувшей около 110 тысяч лет назад на расстоянии в примерно 950 световых лет. Сейчас этот остаток виден в рентгеновских лучах и простирается на небе от созвездия Единорога до созвездия Близнецов; от их латинских названий (Monoceros и Gemini соответственно) пульсар и получил своё имя; сам пульсар лежит в Близнецах. Второй, Геминга, также находится в Близнецах, и даже вдвое ближе первого, однако он втрое старше и частиц он должен рождать меньше; возможно, что Геминга просто чуть помогает Моногему в обстреле Солнечной системы электронами и позитронами.

Примечательно, что оба пульсара находятся не только рядом друг с другом, но и примерно в той области, из которой, по данным обсерватории Milagro, приходит больше космических лучей других сортов.

Впрочем, не исключено, что и за эту асимметрию, и за избыток электронов отвечают какие-то другие близлежащие пульсары, которые мы пока не нашли.

Не для адронного коллайдера

Ещё больше возможностей скрывает анализ возможных сценариев аннигиляции и распада частиц тёмной материи. Благо учёные, изучающие возможные расширения Стандартной модели элементарных частиц, напридумывали немало таких сценариев. Тем не менее уже нынешние результаты Fermi и других экспериментов позволяют немножко обуздать фантазию теоретиков, ограничив возможные параметры гипотетических моделей тёмной материи.

Эти ограничения разные для разных моделей, однако один вывод сделать можно: масса аннигилирующих частиц тёмной материи должна быть больше сотен, а то и тысяч ГэВ. А если при аннигиляции эти частицы превращаются в электроны и позитроны не напрямую, а только через векторные бозоны электрослабого взаимодействия (такой вариант является предпочтительным по теоретическим соображениям), то масса частиц тёмной материи – десятки тысяч ГэВ.

В этом случае у Большого адронного коллайдера (LHC) шансов родить частицы тёмной материи не остаётся.

Какой сценарий – пульсары или тёмная материя, какие пульсары и какой тип тёмной материи – реализован в природе, пока остаётся непонятным. По закону жанра, ответа стоит ждать в следующей серии.

Учёные возлагают особые надежды на анализ γ-квантов, которые также должны образовываться при аннигиляции частиц тёмной материи. В отличие от заряженных электронов, гамма-кванты не запутываются в магнитном поле и приходят ровно оттуда, где родились. Коллаборация Fermi рассчитывает в ближайшие 2–3 года накопить достаточно данных, чтобы увидеть эти источники. Если они есть.