Космические лучи сверхвысоких энергий (СВЭ), с энергиями порядка 1018–1020 эВ, представляют собой один из наиболее загадочных феноменов в астрофизике высоких энергий. Их энергия превосходит на много порядков энергию, достижимую в земных ускорителях, таких как LHC, и требует чрезвычайно мощных и экстремальных астрофизических условий.
Для ускорения частицы с зарядом Z до энергии E в магнитном поле B необходим масштаб R, удовлетворяющий так называемому критерию Хилласа:
E ≤ ZeBR
Это условие позволяет определить возможные астрофизические объекты-кандидаты, способные ускорять частицы до наблюдаемых энергий: активные ядра галактик (AGN), гамма-всплески (GRB), релятивистские выбросы плазмы (джеты), реликтовые ударные волны, сверхновые в плотных средах и др.
Основным и наиболее признанным механизмом ускорения является ускорение Ферми первого рода на ударных волнах. Частица многократно пересекает фронт ударной волны, отражаясь от магнитных неоднородностей по обе стороны. При каждом пересечении она набирает энергию:
ΔE/E ∼ u/c
где u — скорость ударной волны, c — скорость света. Ударные волны от взрывов сверхновых, коллапсов ядер и слияний нейтронных звёзд — эффективные генераторы СВЭ.
AGN содержат сверхмассивные чёрные дыры (массой до 109M⊙), окружённые аккреционным диском и выбрасывающие джеты с релятивистскими скоростями. Внутри джетов формируются ударные волны и турбулентные магнитные поля. Благодаря размерам (до кпк) и магнитным полям (10−3–1 Гс), AGN соответствуют критерию Хилласа. Ускорение может происходить вблизи чёрной дыры, в джетах, или на терминальных ударных фронтах.
Мощные радиогалактики, такие как Centaurus A и M87, демонстрируют структуры джетов, достигающие сотен килопарсек. Их лобовые фронты взаимодействуют с межгалактической средой, создавая обратные ударные волны — кандидаты на ускорение частиц до 1020 эВ. В случае M87 наблюдаются переменные потоки нейтрино, косвенно указывающие на возможное ускорение протонов.
GRB — одни из самых энергичных взрывов во Вселенной, производящие коллимированные джеты с лоренцевскими факторами Γ ∼ 100. Внутренние и внешние ударные волны в джетах могут служить ареной ускорения протонов и ионов до ультравысоких энергий. Однако их кратковременность и космологические расстояния осложняют прямое обнаружение связанных космических лучей.
Нейтронные звёзды с экстраординарными магнитными полями (B ∼ 1015 Гс) и быстрым вращением способны индуцировать огромные электрические потенциалы:
$$ \Delta V \sim \frac{1}{c^2} \, R^2 B \Omega $$
где Ω — угловая скорость вращения. При определённых условиях магнитосферный механизм может ускорить заряженные частицы до энергий > 1020 эВ. Однако наблюдательные подтверждения остаются слабыми.
Протоны с энергией > 5 × 1019 эВ взаимодействуют с фотонами реликтового излучения:
p + γCMB → Δ+ → p/π+
Эффект GZK ограничивает расстояние, с которого протоны таких энергий могут доходить до Земли, — около 50–100 Мпк. Таким образом, наблюдаемые СВЭ должны происходить из локального (сверхгалактического) объёма.
Межгалактические и галактические магнитные поля отклоняют траектории частиц, особенно тяжёлых ядер. Это усложняет идентификацию источников по направлению прихода. Однако для протонов с E > 1020 эВ отклонения в межгалактическом пространстве могут быть меньше нескольких градусов.
Современные эксперименты, такие как Pierre Auger Observatory, указывают на смешанный или даже преобладающий тяжёлый состав (Fe, CNO) при E > 1019.5 эВ. Тяжёлые ядра испытывают фотодезинтеграцию:
A + γCMB/EBL → (A − 1) + N
что ограничивает возможные расстояния источников и указывает на необходимость ближних (локальных) астрофизических объектов.
Процессы GZK-поглощения сопровождаются производством нейтрино. Детекторы типа IceCube, Baikal-GVD и будущие установки (IceCube-Gen2, GRAND) направлены на регистрацию таких нейтрино. Они являются прямыми следами происхождения СВЭ и не отклоняются магнитными полями, а значит могут указывать на источники.
Космогенные гамма-кванты с энергиями >100 ТэВ поглощаются в межгалактической среде на фоне экстрагалактического инфракрасного излучения. Их детекция требует наблюдений каскадов вторичных фотонов и электронов, а также координированного анализа с нейтрино и СВЭ.
Наблюдается слабая анизотропия в распределении сверхвысокоэнергичных частиц, в частности, в направлении скопления галактик Centaurus. Однако из-за отклонений и неясного состава интерпретация остаётся предметом дискуссии.
Проблема происхождения СВЭ остаётся одной из главных нерешённых задач современной астрофизики. Её разрешение требует сочетания наблюдений по различным каналам (частицы, нейтрино, электромагнитное излучение), а также дальнейшего развития как теории, так и экспериментальной базы.