Воздух над вашей головой полон невидимых душей. Мощные частицы из космоса постоянно попадают в атмосферу над вами, создавая субатомный каскад, который стреляет вниз со скоростью, близкой к скорости света. Выяснить, откуда берутся эти ливни и что они говорят нам о Вселенной, - это работа высокогорной обсерватории Черенкова (HAWC) - телескопа, состоящего из 300 гигантских резервуаров с очищенной водой, расположенных возле вершины вулкана Сьерра-Негра в Мексике.
Цель HAWC - найти явления высшей энергии в космосе; включая экзотические звезды, сверхмассивные черные дыры и уничтожающую темную материю. Явления, подобные этим, производят гамма-лучи, фотоны с энергией оптического света, которые мы видим более чем в триллион раз, и космические лучи, заряженные атомные ядра с энергией, в семь раз превышающей энергию протонов, сгоревших вместе на Большом адронном коллайдере. Истоки обоих остаются скрытыми во многих загадках, поэтому HAWC постоянно контролирует большую часть неба в надежде разгадать несколько.
Когда частица сверхвысокой энергии попадает в атмосферу Земли и врезается в молекулу воздуха, в результате реакции образуются новые субатомные частицы. Каждый из них содержит огромную энергию, и поэтому они продолжают разбивать, реагировать и производить больше частиц в постоянно расширяющейся лавине, которая в конечном итоге распространяется по кругу примерно в 100 метрах к тому времени, когда достигает земли. Этот поток частиц проходит через резервуары телескопа, движущиеся со скоростью, превышающей скорость света в воде (что составляет около трех четвертей скорости в вакууме), создавая оптический эквивалент звукового удара - вспышки ультрафиолетового излучения, известного как черенковское излучение. Характеризуя, как именно и когда частицы сталкиваются с массивом резервуаров с очищенной водой, исследователи могут определить, где в небе находится источник.
Приблизительно 20 000 таких ливней регистрируются каждую секунду в HAWC, но почти все являются космическими, а не гамма-лучами. Поскольку космические лучи заряжены, их траектория полета через вселенную изменяется магнитными полями, что означает, что их исходные точки не могут быть определены. Гамма-лучи намного реже - HAWC видит около 1000 таких в день - но они указывают прямой линией на свои источники. Предыдущие гамма-телескопы обычно должны были быть нацелены на определенные точки на небе, часто только после того, как исследователи были предупреждены о некоторых высокоэнергетических явлениях, происходящих там. Поскольку HAWC постоянно смотрит во вселенную, у него больше шансов уловить эти редкие вспышки.
Завершенная в марте 2015 года, обсерватория недавно выпустила свой первый год данных - карту неба, на которой показано около 40 сверхярких источников, многие из которых находятся в нашей галактике Млечный Путь. «Это не заурядные звезды», - говорит физик Бренда Дингус из Лос-Аламосской национальной лаборатории, представитель HAWC.
Большинство из них являются остатками сверхновых, последствием мощного взрыва, который происходит во время смерти гигантской звезды. По мере того как ударные волны от этих взрывов распространяются наружу, они с высокой скоростью врезаются в окружающий газ и пыль, генерируя гамма-излучение - процесс, который может продолжаться в течение тысяч лет. Команда HAWC надеется обнаружить остатки сверхновых на разных этапах их эволюции и объединить свои данные с данными других телескопов, работающих на разных длинах волн, чтобы выяснить детали этого сложного процесса. Поскольку остатки сверхновых имеют мощные магнитные поля, они захватывают и ускоряют заряженные частицы, создавая космические лучи. Считается, что большинство космических лучей, которые мы видим, происходят из таких мест, но они также могут быть созданы пульсарами - быстро вращающимися сверхплотными нейтронными звездами, испускающими луч излучения, - и черными дырами, вращающимися вокруг друг друга. HAWC поможет исследователям определить общую выходную мощность всех этих ускорителей космических частиц.
Данные HAWC также содержат несколько ярких объектов, которые находятся за пределами галактики. Поскольку они так далеко, эти источники должны сиять, как прожекторы во вселенной. Некоторые из них - активные галактические ядра, молодые галактики, чья центральная сверхмассивная черная дыра пирует на огромном избытке газа и пыли. Когда материя вращается вокруг черной дыры, она нагревается, испуская колоссальные струи излучения. HAWC видел, как эти структуры периодически вспыхивают, но точно, почему это происходит, остается неизвестным.
Обсерватория также надеется обнаружить гамма-всплески, самые энергичные явления в известной вселенной. Считается, что когда сверхмассивная звезда падает в черную дыру, эти взрывы высвобождают такое же количество энергии за несколько секунд, как наше Солнце в течение всей своей жизни. Поскольку они так преходящи, ученым было трудно их изучать, но ожидается, что HAWC - который постоянно наблюдает за небом - будет видеть по крайней мере пару в год.
Тогда есть действительно революционные вещи, которые HAWC потенциально может наблюдать. «Темная материя будет самой крутой вещью, которую можно найти», - сказал Дингус.
В то время как ученые могут видеть гравитационные эффекты этого странного материала во вселенной, темная материя не производит электромагнитного излучения и поэтому не обнаруживается в обычных телескопах. Но некоторые теоретики предполагают, что частицы темной материи могут врезаться друг в друга и уничтожить, процесс, который должен генерировать гамма-лучи. В таких местах, как карликовые сфероидальные галактики, которые почти полностью состоят из темной материи, это уничтожение должно происходить постоянно. До сих пор никто не видел значительного гамма-излучения, исходящего от этих слабых, маленьких галактик, но постоянно открываются новые, что открывает возможность, наконец, раскрыть одну из самых больших загадок в астрономии.
Чем дольше HAWC смотрит на вселенную, тем глубже и детальнее становятся ее наблюдения. Первоначальный запуск обсерватории в настоящее время планируется завершить в 2020 году. «Но если мы увидим что-то классное, возможно, мы будем работать дольше», - сказал Дингус.
