Частица Аматэрасу может быть тяжелее железа — и тогда у неё наконец появляется источник

В 2021 году телескопная установка в штате Юта поймала нечто невероятное: космический луч с энергией, сопоставимой с теннисным мячом, запущенным от руки — и всё это сжатое в одну-единственную субатомную частицу. Такие события называют «частицами бога»: за всё время наблюдений их насчитываются единицы. Японские астрофизики назвали свою находку в честь богини Солнца — частицей Аматэрасу. Но откуда она прилетела — оставалось загадкой: обратная прокрутка траектории упиралась в почти пустое Местное межгалактическое пространство, где нет ни одного известного источника столь мощного ускорения.

Теперь у этой загадки появилось убедительное объяснение — и оно связано не с маршрутом, а с тем, из чего сделана сама частица. Если Аматэрасу и другие сверхвысокоэнергетические космические лучи состоят не из протонов и не из ядер железа, а из ядер гораздо более тяжёлых элементов — урана, свинца или им подобных, — то их траектории в магнитных полях Галактики искажаются сильнее, и при «перемотке» назад они ведут совершенно в другую сторону: к реальным галактикам с реальными источниками мощного ускорения. Именно такую гипотезу детально разработали учёные Университета штата Пенсильвания (Penn State) во главе с профессором Кохтой Мурасэ (Kohta Murase) и аспирантом Б. Теодором Чжаном (B. Theodore Zhang). Статья опубликована 7 мая 2026 года в Physical Review Letters.

Почему сверхтяжёлые ядра выживают там, где протоны гибнут

Межгалактическое пространство не пустое. Оно заполнено реликтовым микроволновым фоном — эхом Большого взрыва. Высокоэнергетическая частица, летящая через это излучение, «ударяется» о фотоны и теряет энергию — этот процесс называется эффектом ГЗК (по фамилиям предсказавших его учёных Грайзена, Зацепина и Кузьмина). Для протонов и лёгких ядер эффект ГЗК столь силён, что они должны были бы потерять бо́льшую часть энергии уже на расстоянии нескольких сотен миллионов световых лет, — то есть прилететь к нам из относительно близких источников.

Но у сверхтяжёлых ядер — тех, что тяжелее железа (атомный номер Z > 26), — эффект ГЗК при энергиях ниже 300 EeV значительно слабее. Авторы работы впервые детально рассчитали, как такие ядра теряют энергию в межгалактическом пространстве, и установили: они способны преодолевать несравнимо большие расстояния при высоких энергиях — дальше, чем протоны или ядра среднетяжёлых элементов.

«Сверхтяжёлые ядра имеют преимущество в том, что их можно ускорить до энергий выше 100 EeV, в то время как обычные лёгкие и среднетяжёлые ядра с этим испытывают большие затруднения», — следует из статьи.

Это принципиально меняет картину: если Аматэрасу — ядро урана или свинца, а не протон и не ядро железа, то, перематывая её путь назад через магнитные поля Млечного Пути с поправкой на массивный заряд, траектория ведёт уже не в Местную Пустоту, а в область с реальными потенциальными источниками.

Откуда берутся такие ядра и почему именно они

Чтобы синтезировать ядра тяжелее железа, природе нужны условия, которые встречаются лишь в нескольких экстремальных процессах. Самый известный из них — r-процесс (быстрый захват нейтронов), идущий в недрах нейтрон-богатых сред. Именно там рождается большинство элементов тяжелее железа — золото, платина, уран.

Два главных кандидата на роль источников сверхтяжёлых сверхвысокоэнергетических космических лучей:

• Слияния нейтронных звёзд: при столкновении двух нейтронных звёзд или нейтронной звезды с чёрной дырой высвобождается вспышка гравитационных волн и килонова — взрыв, в котором r-процесс синтезирует огромное количество сверхтяжёлых ядер. Первое такое событие (GW170817, 2017 год) подтвердило: в таких взрывах действительно рождается золото и платина. Сами ядра могут быть ускорены до сверхвысоких энергий мощными магнитными полями.
• Коллапсары: это особый класс взрывов сверхновых, при которых массивная звезда, сколлапсировав в чёрную дыру, порождает гамма-всплеск (GRB) или магниторотационную сверхновую. В магнитно-доминированных выбросах таких событий сверхтяжёлые ядра могут разгоняться до сверхрелятивистских скоростей.

Авторы впервые вывели количественные ограничения на вклад этих источников, опираясь на наблюдательные данные установок Pierre Auger (Аргентина) и Telescope Array (США). Вывод: скорость генерации энергии сверхтяжёлыми космическими лучами от коллапсаров и слияний нейтронных звёзд совместима с имеющимися данными.

Как проверить гипотезу и что будет дальше

Предсказание, допускающее экспериментальную проверку, — ключевой элемент любой научной гипотезы. Авторы делают конкретный прогноз: если среди сверхвысокоэнергетических космических лучей действительно доминируют ядра тяжелее железа, то среднее значение глубины максимума ливня — параметра, который измеряется по форме каскада частиц в атмосфере при ударе космического луча, — должно быть меньше, чем у ядер железа при энергиях свыше 100 EeV.

Именно это предсказание будут проверять два следующих поколения детекторов:

• AugerPrime (апгрейд обсерватории Пьера Оже в Аргентине) — добавляет поверхностные детекторы нового поколения и радиоантенны, кратно повышающие чувствительность к составу первичных частиц;
• Глобальная обсерватория космических лучей (GCRO) — проектируемая установка, которая должна превзойти Auger и Telescope Array по площади покрытия на порядок.

Дополнительный контекст: в феврале 2026 года группа из Института физики Макса Планка опубликовала работу, в которой предложила, что Аматэрасу могла прилететь из галактики M82 — бурно формирующей звёзды «сигарной галактики» в 12 миллионах световых лет от Земли. Данные M82 как источника лучше сходятся именно при предположении о сверхтяжёлом составе частицы — что косвенно подтверждает гипотезу Penn State.

Для контекста: энергия частицы Аматэрасу составила около 244 ЭэВ (2,4 × 10²⁰ электрон-вольт). Это в десятки миллионов раз превышает энергии, достигаемые Большим адронным коллайдером. Единственный аналог — легендарная «частица Боже» (Oh-My-God particle), зафиксированная в 1991 году с энергией около 320 ЭэВ.