Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Более экзотический способ, пока не получивший широкого распространения, состоит в регистрации радиоволн от широких атмосферных ливней. Это низкочастотное (десятки мегагерц) излучение возникает при распространении электромагнитного каскада (электронов и позитронов) в магнитном поле Земли. Его существование было предсказано и продемонстрировано еще в середине 1960-х гг., однако лишь в последнее время начались серьезные попытки использовать этот метод в качестве существенного дополнения более традиционных подходов (наблюдение черенковского излучения и «воздушной флуоресценции», а также регистрация вторичных мюонов).

Преимущества косвенной регистрации состоят в том, что можно регистрировать очень редкие частицы сверхвысоких энергий – до 10²¹ эВ. Чтобы набрать большую статистику, необходимо охватывать по возможности бóльшую площадь. В настоящее время наиболее крупным проектом является обсерватория имени Пьера Оже (Pierre Auger) в Аргентине с площадью установки около 3000 км2. В обсерватории используется гибридная система регистрации: по всей территории расположено около 1600 черенковских водных детекторов для регистрации мюонов, и всю эту площадь осматривают 24 телескопа, сгруппированные в четыре наблюдательные станции и регистрирующие черенковское излучение и атмосферную флуоресценцию.

Именно благодаря обсерватории Оже удалось получить достаточно большую статистику частиц с энергиями выше 10¹⁹ эВ, чтобы подтвердить их внегалактическое происхождение. Однако источник этих частиц до сих пор остается неясным, хотя рассматриваются возможности ускорения частиц в космических гамма-всплесках, активных ядрах галактик и в ударных волнах в скоплениях галактик.

Одной из проблем определения природы этих «космических ускорителей» является невозможность узнать точное направление на источник. Это связано не со сложностями детектирования частиц, а с особенностями их распространения. Дело в том, что заряженные частицы испытывают влияние со стороны магнитного поля, и траектории частиц с энергиями до 10¹⁵–10¹⁷ эВ оказываются сильно запутанными уже галактическими магнитными полями (поэтому они проводят долгое время внутри нашей Галактики). При бóльших энергиях частицы лишь слабо отклоняются полем Галактики, но, распространяясь в течение миллионов или даже миллиардов лет в межгалактической среде, испытывают отклоняющее воздействие слабых межгалактических полей. В итоге зарегистрированное направление может отличаться от исходного на несколько градусов, что исключает точную локализацию.

Обсерватория Оже – крупнейшая современная установка для изучения космических лучей.

Другой проблемой изучения частиц самых высоких энергий является невозможность точного измерения энергии и определения природы частицы. Регистрация широкого атмосферного ливня не позволяет надежно определить, был ли он вызван протоном, ядром гелия, кислорода или даже железа. Определение энергии основывается на использовании компьютерных моделей, которые позволяют связать свойства детектируемых вторичных частиц или излучения с энергией материнской частицы, но точность этого не очень велика (особенно при наблюдении «воздушной флуоресценции»). Поэтому для изучения стараются одновременно использовать разные методы (оптика, регистрация мюонов, радиоволны).

Частицы с энергией выше 10¹⁶–10¹⁷ эВ в основном имеют внегалактическое происхождение.

В астрофизике космических лучей существует еще много нерешенных проблем. Кроме вопросов происхождения частиц сверхвысоких энергий и точного измерения их свойств сюда можно отнести проблему происхождения избытка позитронов, обнаруженного установкой PAMELA, многие вопросы, связанные с ускорением частиц в галактических источниках, а также гипотетическую возможность регистрации частиц странного (кваркового) вещества.

Для решения проблем планируется создание новых установок – и космических проектов (в том числе на МКС), и наземных обсерваторий. Крупной наземной установкой по оптическому наблюдению широких атмосферных ливней должен стать проект Cherenkov Telescope Array (CTA, Cеть черенковских телескопов), в первую очередь предназначенный для гамма-астрономии. В рамках этого проекта планируется построить две обсерватории в северном и южном полушариях, чтобы охватить все небо. В настоящее время в северном полушарии, в штате Юта, работает установка Telescope Array (TA, Сеть телескопов) площадью 700 км², которая является аналогом обсерватории Оже. В ней также использована гибридная система регистрации: 500 наземных сцинтилляционных детекторов и три станции для оптических наблюдений черенковского излучения и «воздушной флуоресценции». В России планируется запуск спутника «Гамма-400», а также идут работы по развитию проекта «Тунка» вблизи озера Байкал.