1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 85, № 8, 2021

Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 8, стр. 1169-1172

Исследование характеристик космических лучей предельных энергий радиометодом на частоте 30–35 МГц на Якутской установке

С. П. Кнуренко 1, И. С. Петров 1, *

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение Институт космофизических исследований и аэрономии имени Ю.Г. Шафера Сибирского отделения Российской академия наук
Якутск, Россия

* E-mail: igor.petrov@ikfia.ysn.ru

Поступила в редакцию 25.02.2021
После доработки 12.03.2021
Принята к публикации 28.04.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приводятся результаты исследования ливней предельных энергий E ≥ 1018 эВ, с помощью радиоантенн в диапазоне частот 30–35 МГц на Якутской установке. Описываются методы определения основных характеристик космических лучей: энергии широкого атмосферного ливня, глубины максимума Xmax, углов прихода по измерениям радиоизлучения. Для ливней с энергией E ≥ 1019 эВ было найдено их расположение на карте неба в галактических координатах с целью поиска источников космических лучей предельных энергий.

ВВЕДЕНИЕ

Радиоизлучение широкого атмосферного ливня (ШАЛ) производится заряженными частицами в магнитном поле Земли [1, 2] и благодаря эффекту Аскарьяна [3], который возникает при избытке отрицательного заряда в диске ШАЛ в атмосфере. Амплитуда излучения зависит от условий развития ливня в атмосфере: высоты максимума каскадной кривой, зенитного угла прихода диска ливня на плоскость установки и энергии ШАЛ.

Радиометод позволяет не только оценить энергию, но и восстановить картину продольного развития ливня, а именно, глубину максимума развития ШАЛ Хmax [4, 5]. Используя глубину максимума и энергию, можно определить тип частицы, вызвавшей ливень в атмосфере.

В работе использованы данные по радиоизлучению, зарегистрированные на Якутской установке за 1986–1989 и 2009–2018 гг. За этот период было зарегистрировано ~7000 ливней с радиоизлучением различных энергий. Энергия ливней определялась методом баланса энергий всех измеряемых на установке компонент ШАЛ [6]. Для установления зависимости амплитуды радиосигнала от энергии и связи формы ФПР радиоизлучения с глубиной максимума развития ШАЛ Xmax был использован 421 ливень с энергией ≥1017 эВ и зенитными углами ≤45°. Дополнительным условием было наличие измерений черенковского света в этих ливнях.

РАДИОУСТАНОВКА

На Якутской установке [7] для выбора оптимальной частоты регистрации радиоизлучения было проведено сканирование частотного спектра от 1 до 100 МГц [8], как в [9]. На частотах до 20 МГц из-за наличия сильных шумов природного происхождения (в основном грозы), не представляется возможным различить импульсы ШАЛ с достаточной эффективностью. Выше 20 МГц, амплитуда галактических шумов уменьшается намного медленнее с частотой, чем грозовые шумы и на частоте 32 МГц составляет 1.0–2.0 мкВ ∙ м–1 ∙ МГц–1. Тепловые шумы антенны намного ниже галактических шумов на частотах до 100 МГц и, почти никак не влияют на наши измерения. Поэтому, оптимальная полоса частот это 30–40 МГц, где ожидается наилучшее отношение сигнал–шум, из-за того, что на более высоких частотах спектр ограничен сильными шумами антропогенного характера, например, помехами, создаваемыми широковещательными станциями.

Установка состоит из 12 скрещенных на 90° приемных антенн, ориентированных по направлениям В–З, С–Ю, периферийного регистрирующего устройства (ПРУ) и электронного накопителя данных на базе персонального компьютера. ПРУ размещалось непосредственно на территории антенного поля. Антенное поле располагались вблизи центра основной установки ШАЛ и состояло из двух независимых кустов, синхронизация которых осуществлялась с помощью системы GPS. Расстояние между антеннами было 50, 100 и 500 м. Располагались антенны на удалении 50–100 м от станций наблюдения [10].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Зависимость амплитуды радиоизлучения от энергии ливня

Для нахождения зависимости амплитуды радиоизлучения от энергии ливня использовались ливни, зарегистрированные одновременно и радиоантеннами и черенковскими детекторами [10].

Так как большая часть антенн с радиосигналами находилась на расстоянии 200–500 м от оси ШАЛ, то для нормировки амплитуд радиосигналов было взято медианное расстояние равное 〈Rmed〉 = 350 м. Сигналы с антенн на разных расстояния от оси ливня приводились к 〈Rmed〉 Нормированные сигналы были использованы для нахождения корреляции между амплитудой радиоизлучения и энергией ливня. Энергия ливня определялась согласно работе [6], точность оценки энергии составляла ~25% [10]. При оценке энергии ливня по амплитуде радиосигнала была учтена зависимость амплитуды от зенитного угла, энергии и глубины максимума развития ШАЛ. Формула связи амплитуды и энергии ливня хорошо описывается выражением вида (1). Коэффициенты в уравнении (1) найдены методом максимального правдоподобия.

(1)
$\begin{gathered} \varepsilon = (188 \pm 1.6){{\left( {\frac{E}{{5 \times {{{10}}^{{17}}}}}} \right)}^{{0.83 \pm 0.03}}}(1.16 - \cos \alpha ) \times \\ \times \,\,\cos \theta \exp \left( { - \frac{R}{{162 \pm 8 + (84 \pm 3)[{{(X - 675)} \mathord{\left/ {\vphantom {{(X - 675)} {100}}} \right. \kern-0em} {100}}}}} \right). \\ \end{gathered} $

Зависимость формы ФПР радиоизлучения от Xmax

Как было показано в работах [11–14], функция пространственного развития радиоизлучения ШАЛ отражает продольный профиль развития ливня. По форме ФПР можно определить глубину максимума развития (Xmax), для этого используется отношение амплитуд на разных расстояниях от оси ливня P = A1/A2, где A1 – амплитуда радиоизлучения на расстоянии 175 м, A2 – амплитуда радиоизлучения на расстоянии 725 м. На Якутской установке связь Р = А(R1)/А(R2) с Хmax была получена эмпирически, используя совместные измерения радио и черенковского излучений [9]:

(2)
${{X}_{{\max }}} = (660 \pm 15) + (100 \pm 5)\frac{{P - 11.5}}{3}.$

Формула (2) с достаточной точностью справедлива для интервала глубин ΔХmax = 600–800 г ⋅ см–2, ниже этих глубин ошибки определения Хmax возрастают [15]. Точность определения Хmax составляет ~55 г/см2, что обусловлено погрешностью определения оси ШАЛ и малым количеством антенн [16].

Далее формула (2) использовалась для определения Xmax в индивидуальных радиоливнях. Используя массив отобранных ливней, по формуле (2), была получена средняя оценка 〈Xmax〉 при разных первичных энергиях (рис. 1).

Рис. 1.

Зависимость 〈Xmax〉 радиоизлучения от энергии E. Для сравнения приведены экспериментальные данные по черенковским измерениям Якутской установки, экспериментальные данные других установок: Auger, ТА и LOFAR. Также, нанесены модельные расчеты QGSJetII-04, Sibyll 2.3c и EPOS-LHC.

Данные Якутской установки, полученные из измерений черенковского света 1974–2014 гг. (черные точки) и радиоизлучения ШАЛ (красные треугольники) показаны на рис. 1. На этом же рисунке для сравнения приводятся гибридные данные (BR/LR + SD) установки Telescope Array за 2018 год [17], установки Auger за 2019 год [18], данные радиотелескопа LOFAR [19]. На рис. 1 нанесены и расчеты по моделям адронных взаимодействий QGSJetII-04 [20], Sybill 2.3 c [21], EPOS LHC [22]. Видно, что экспериментальные данные всех установок указывают на неравномерное продвижение Хmax вглубь атмосферы.

Широкие атмосферные ливни с энергией выше 5 ⋅ 1018 эВ

На рис. 2 на карте неба показано распределение ШАЛ с Е0 ≥ 5 ⋅ 1018 эВ, приходящих друг за другом с интервалом по времени меньше 24 ч [7]. Ливни имели близкие характеристики: энергию, зенитный и азимутальный углы. Точность определения зенитного угла в этих ливнях составляла 1.5°–2.5°. В какой-то мере близкие по времени прихода и физическим характеристикам ливни можно считать парными ШАЛ. Галактические координаты в этих ливнях близки, расхождение составляет 3°–5°. Эти ливни можно использовать для поиска источников космических лучей предельных энергий. В то же время имеются пары, у которых расхождение координат достигает 10° и более градусов. Если предположить, что эти ливни имеют одинаковую природу происхождения, то их расхождение по координатам может быть связано с разным характером взаимодействия пучка частиц с магнитными полями и реликтовым фоном Вселенной. Нельзя исключать и то, что парные события ШАЛ с предельными энергиями, могут быть образованы за счет серфинга в космической плазме.

Рис. 2.

Распределение на карте неба событий ШАЛ с E0 ≥ 5 ∙ 1018 эВ, зарегистрированных на Якутской установке. Крестики – ливни с радиоизлучением. Треугольники – ливни с энергией Е0 ~ 1020 эВ. Точки – парные ливни.

На рис. 2 крестиками показаны ливни с энергиями Е0 ≥ 5 ∙ 1018 эВ, зарегистрированные Якутской радиоустановкой, за периоды наблюдения 1986–1989 гг. и 2009–2018 гг. Треугольниками показаны ливни с энергией E0 ~ 1020 эВ. Зенитные и азимутальные углы в этих ливнях определялись по сцинтилляционным детекторам Якутской установки.

Вероятными источниками космических лучей могут быть такие активные области: созвездие Медведицы, Девы, М82 и Маркарян 421. Также, для сравнения, нанесена горячая область (hot spot) найденная экспериментом TA [23].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Была построена зависимость средних 〈Xmax〉 от энергии E по данным измерения детекторов черенковского света и данным радиоизлучения ШАЛ в области энергий с 1017 до 5.7 ∙ 1019 эВ (рис. 1). Средние значения глубины максимума 〈Xmax〉 от энергии первичной частицы E изменяются неравномерно, что связано с изменением массового состава. Сравнение 〈Xmax〉 с модельными расчетами указывает на то, что для энергий 1017–1018 эВ в массовом составе преобладает доля протонов и ядер с малым атомным весом. Для энергий выше 1019 эВ массовый состав начинает изменяться в сторону более тяжелых ядер, CNO и Fe.

Используя данные наблюдения на радиоустановке за 1986–1989 гг. и 2009–2018 гг., были выделены ливни с энергией выше 5 ∙ 1018 эВ, которые нанесены на карту неба. Ливни найденные по данным радиоизлучения не совпадают с известными источниками рентгеновских, радио и оптических излучений, но это не означает, что источников там нет. Скорее всего мы еще не знаем о других источниках, которые могут быть генераторами космических лучей предельных энергий.

Список литературы

  1. Kahn F., Lerche I. // Proc. Royal Soc. A. 1966. V. 289. P. 206.

  2. Falcke H., Gorham P. // Astropart. Phys. 2003. V. 19. P. 477.

  3. Аскарьян Г.А. // ЖЭТФ. 1961. Т. 41. № 2. С. 616.

  4. Apel W., Arteaga-Velazquez J.C., Bahren L. et al. // Phys. Rev. D. 2014. V. 90. Art. No. 062001.

  5. Knurenko S., Petrov I. // J. Phys. Conf. Ser. 2015. V. 632. Art. No. 012100.

  6. Кнуренко С.П., Иванов А.А., Слепцов И.Е., Сабуров А.В. // Письма в ЖЭТФ. 2006. Т. 83. С. 563.

  7. Кнуренко С.П., Петров И.С. // Тр. БШФФ “Физ. проц. в косм. и околозем. среде”. XVI Конф. мол. уч. “Взаим. полей и изл. с вещ.” (Иркутск, 2019). С. 99.

  8. Kozlov V., Knurenko S., Mullayarov V. et al. // Proc. 1st Int. Conf. Electromagn. Meth. Environ. Stud. 2012. P. 215.

  9. Ellingson S., Simonetti J., Patterson C. // IEEE Trans. Antennas Propag. 2007. V. 55. No. 3. P. 826.

  10. Knurenko S.P., Petrov Z.E., Petrov I.S. // NIM A. 2017. V. 866. P. 230.

  11. Huege T., Ulrich R., Engel R. // Astropart. Phys. 2008. V. 30. P. 96.

  12. de Vries K.D., van den Berg A.M., Scholten O. // Astropart. Phys. 2010. V. 34. P. 267.

  13. Kalmykov N.N., Konstantinov A.A. // J. Cosmol. Astropart. Phys. 2012. V. 12. Art. No. 029.

  14. Bezyazeekov P.A., Budnev N.M., Gress O.A. et al. // J. Cosmol. Astropart. Phys. 2016. V. 01. Art. No. 052.

  15. Кнуренко С.П., Петров И.С. // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83. № 8. С. 1111; Knurenko S.P., Petrov I.S. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. No. 8. P. 1010.

  16. Кнуренко С.П., Петров З.Е., Петров И.С., Дьячковский Н.А. // Тр. XXIV междунар. симп. “Опт. атм. и океана. Физ. атм.” (Томск, 2018). С. D175.

  17. Abbasi R., Abe M., Abu-Zayyad T. et al. // Astrophys. J. 2018. V. 858. P. 76.

  18. Bellido J., Aab A., Abreu P. et al. // Proc. Sci. 2018. V. 301. Art. No. 506.

  19. Buitink S., Corstanje A., Falcke H. et al. // Nature. 2016. V. 531. P. 470.

  20. Ostapchenko S. // Phys. Rev. D. 2011. V. 83. Art. No. 014018.

  21. Riehn F., Engel R., Fedynitch A. et al. // Proc. Sci. 2015. V. 236. Art. No. 558.

  22. Pierog T., Karpenko I., Katzy J. et al. // Phys. Rev. C. 2015. V. 92. Art. No. 034906.

  23. Matthews J.N., Abbasi R.U., Abe M. et al. // Proc. Sci. 2018. V. 301. Art. No. 1096.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал