Содержание
защита суперкомпьютеров от внеземной угрозы / Хабр
Каждый из нас не раз и не два в своей жизни слышал возмущённое «оно само сломалось» в ответ на вопрос, как случилась та или иная неполадка в компьютере или ПО. В 99% случаев это происходит «не само». Но есть 1%, когда пользователь действительно не виноват, и причиной сбоя является не «человеческий фактор», а случайность. Случайность, вызванная космическим излучением. Давайте об этом и поговорим.
Быстрые нейтроны из космических лучей могут вызвать серьёзные ошибки в суперкомпьютерах. Но физики надеются сделать такие устройства менее подверженными космическому разрушению, а также защитить всю технику, от беспилотных автомобилей до квантовых компьютеров.
В 2013 году спидраннер DOTA_Teabag играл в Super Mario 64 от Nintendo и внезапно обнаружил «невозможный» сбой: Марио внезапно телепортировался высоко в воздух, что сократило время прохождения уровня и обеспечило преимущество в игре. Запись этого инцидента транслировалась в Twitch и привлекла внимание другого известного геймера, pannenkoek12, который захотел понять, как такое возможно.
И даже предложил 1000 долларов каждому, кто сможет воспроизвести сбой. Многие пытались повторить трюк DOTA_Teabag, но никому это не удавалось. Восемь лет спустя pannenkoek12 пришел к выводу, что перемещение Марио, вероятно, произошло из-за изменения (флипа) одного конкретного бита в байте, который определяет местонахождение игрока в определенный момент игры. И причиной этого изменения, скорее всего, была ионизирующая частица из космического пространства.
Воздействие космической радиации не всегда так безобидно, как в случае с игрой. 7 октября 2008 года самолет Qantas, следовавший из Сингапура в Австралию на высоте 11 300 м, внезапно пошёл на снижение, которое привело к травмам пассажиров и членов экипажа и внутренним разрушениям салона самолёта. Следователи установили, что проблема возникла из-за «нарушения в результате единичного события» (Single-event Upset, SEU), в результате которого неверные данные поступили в систему бортовых приборов. И снова, скорее всего, виновато космическое излучение.
Бит-флип SEU также был признан виновным в ошибках в электронной машине для голосования в Бельгии в 2003 году, которая добавила 4096 дополнительных голосов одному кандидату.
Космическое излучение также может влиять на данные в суперкомпьютерах, что часто приводит к их сбоям. Это вызывает всё большее беспокойство, особенно с учетом того, что уже в 2021 году может появиться первый «эксафлопсный» компьютер, способный выполнять более 1018 операций в секунду. Пока непонятно, как такие машины будут противостоять угрозе повреждения данных космическими лучами. Поскольку транзисторы становятся меньше, энергия, необходимая для «флипа», уменьшается. А по мере увеличения размеров компьютера вероятность повреждения данных возрастает.
К счастью, те, кто работает в небольшой, но важной области компьютерной устойчивости, серьезно относятся к этим угрозам. «Мы как канарейка в угольной шахте. Мы идём впереди и изучаем происходящее», — утверждает Натан ДеБарделебен, старший научный сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории в США.
В научном центре он проводит «космические стресс-тесты» электронных компонентов, подвергая их воздействию пучка нейтронов для имитации воздействия космических лучей.
Далеко не все компьютерные сбои вызваны космическими лучами (температура, возраст и производственный брак тоже могут сказываться на работе оборудования). Однако роль, которую они играют, была очевидна с момента появления первых суперкомпьютеров. Cray-1, разработанный Сеймуром Роджером Креем, был испытан в Лос-Аламосе. Вполне вероятно, что это было ошибочным решением, так как большая высота лаборатории (2300 м над уровнем моря), делает исследуемые устройства ещё более уязвимым для космических лучей.
Сначала Cray не хотел включать модуль коррекции ошибок, но в конечном итоге сделал это, добавив так называемую память четности, где к заданному набору битов добавляется дополнительный бит «четности». Он записывает, является ли сумма всех битов нечетной или четной. Поэтому любое повреждение бита будет отображаться как несоответствие.
Cray-1 зафиксировал около 152 ошибок четности за первые шесть месяцев.
По мере развития суперкомпьютеров проблемы, вызванные космическим излучением, не исчезли. В 2002 году в Лос-Аламосе был установлен второй по скорости суперкомпьютер в мире ASCI Q. И первоначально он не мог работать дольше часа без сбоев, вызванных всевозможными ошибками. Проблема решилась только тогда, когда инженеры добавили к серверам металлические боковые панели, что позволило ему работать в течение шести часов.
Космический хаос
Космическое излучение идёт от Солнца и от разнообразных космических происшествий наподобие взрыва сверхновой в нашей галактике или за её пределами. Космические лучи состоят в основном из высокоэнергетических протонов и ядер гелия, которые движутся в пространстве почти со скоростью света). Космическое излучение в основном состоит из заряженных частиц: протонов (88%), ядер гелия (9%), антипротонов, электронов, позитронов и нейтральных частиц, которые движутся в космосе почти со скоростью света.
Когда они сталкиваются с атмосферой Земли, то создают вторичный поток частиц, включая нейтроны, мюоны, пионы и альфа-частицы.
«Доходят до поверхности земли в основном быстрые нейтроны», — объясняет Кристофер Фрост, который управляет устройством ChipIR в лаборатории Резерфорда Эпплтона в Великобритании. Оно было создано в 2009 году для изучения последствий облучения микроэлектроники.
Экспресс-тестирование эффектов единичного события. Схема компонентов, необходимых для создания пучка атмосферных нейтронов ChipIr.
Учёный-компьютерщик Леонардо Баутиста-Гомес из Суперкомпьютерного центра Барселоны сравнивает эти ошибки с мутациями, которые иногда происходят в ДНК человека. «В зависимости от того, где происходит мутация, она может стать или не стать причиной появления рака, и это очень похоже на компьютерный код».
Кристофер Фрост вместе с ученым Паоло Речем из бразильского Федерального университета Риу-Гранди-ду-Сол также изучал дополнительный источник осложнений в виде медленных нейтронов.
Эти нейтроны имеют на девять порядков меньше энергии, чем у их собратьев из космических лучей. Тепловые нейтроны могут быть особенно «вредными», когда они сталкиваются с бором-10, который содержится во многих полупроводниковых чипах. Ядро бора-10 захватывает нейтрон, распадаясь на литий и альфа-частицу.
Эксперты из Frost and Rech протестировали шесть имеющихся в продаже устройств, запустили их в нормальных условиях, и обнаружили, что все они подвергались воздействию медленных нейтронов (J. Supercomput. 77 1612). «В принципе, чтобы избавиться от этой проблемы, можно использовать чрезвычайно чистый бор-11», — считает Паоло Реч, но добавляет, что это увеличивает стоимость производства. Ведь даже суперкомпьютеры используют готовые коммерческие компоненты, которые могут пострадать от тепловых нейтронов. Хотя космические лучи есть везде, образование тепловых нейтронов чувствительно к окружающей среде устройства.
«Вещества, содержащие водород [например, вода], или предметы, сделанные из бетона, тормозят быстрые нейтроны, превращая их в медленные», — объясняет Фрост.
Исследователи даже обнаружили, что погода влияет на количество тепловых нейтронов, их уровень в дождливые дни увеличивается вдвое.
Профилактические меры
Хотя вероятность подобных ошибок относительно низка, в некоторых критических системах используются меры избыточности за счёт удвоения или утроения каждого бита, так что ошибки могут быть обнаружены мгновенно. «Это особенно заметно в космических аппаратах и спутниках, которые не должны просто так выходить из строя», — утверждает ДеБарделебен. Но создание таких отказоустойчивых систем на суперкомпьютерах обходилось бы непомерно дорого, ведь на них часто выполняются программы, рассчитанные на месяцы работы. Вариант полной остановки нейтронов, достигающих этих машин, также непрактичен — требуется три метра бетона, чтобы заблокировать космические лучи. Хотя учёные рассматривали возможность размещения центров обработки данных глубоко под землей.
Современные суперкомпьютеры используют более совершенную ECC-память, которая автоматически распознаёт и исправляет спонтанно возникшие изменения (ошибки) битов памяти.
Около 12% объёма записываемых данных используется для кодов исправления ошибок. Ещё одним важным нововведением для суперкомпьютеров является «контрольная точка» — процесс регулярного сохранения данных в середине вычисления. И если возникает сбой, вычисление может быть выполнено с последней контрольной точки. Вопрос лишь в том, как часто делать эти контрольные точки. Большая частота требует больших затрат времени и энергии, а малая чревата тем, можно потерять месяцы вычислительной работы.
Страх перед сбоем системы и потерей данных — это половина проблемы. Учёных беспокоит риск необнаруженных или скрытых ошибок. Тех, которые не вызывают сбоев и поэтому не обнаруживаются. По словам Баутисты-Гомеса, ECC обычно может обнаруживать одно- или двухбитовые перевороты, но «помимо этого, если у вас есть космический луч, который меняет три бита в ячейке памяти, то методы, которые мы используем сегодня, скорее всего, не смогут обнаружить это».
До недавнего времени не хватало прямых доказательств такого скрытого искажения данных в суперкомпьютерах, за исключением того, что Баутиста-Гомес описывает как «странные вещи, которые мы не знаем, как объяснить».
В 2016 году вместе с ученым-компьютерщиком Саймоном Макинтош-Смитом из Бристольского университета он решил найти эти ошибки, используя специально разработанное сканирующее память ПО для анализа кластера из 1000 компьютерных узлов (точек данных) без какой-либо ECC. За год они обнаружили 55 000 ошибок памяти.
«Мы наблюдали много однобитовых ошибок, чего и следовало ожидать. Мы также видели множественные двузначные ошибки, а также несколько многобитовых ошибок, которые бы не заметили даже с ECC», — вспоминает Баутиста-Гомес.
Ускоренное тестирование
Есть и другая актуальная проблема: всё более широкое использование GPU для высокопроизводительных вычислений. Изначально они создавались для быстрой обработки и создания изображений и были нужны только для игр. Но теперь эти устройства используются в суперкомпьютерах и в беспилотных автомобилях, поэтому последствия возможных сбоев становятся критически опасными.
Паоло Реч, используя ChipIR, разработал свой метод проверки частоты отказов GPU от Nvidia и AMD, используемых в беспилотных автомобилях.
Они занимались подобными испытаниями в течение последнего десятилетия и разработали методы, позволяющие подвергать устройства высокому уровню нейтронного облучения во время работы приложения с прогнозируемым результатом. В случае систем для беспилотных автомобилей они, по сути, показывают устройству предварительно записанные видеоролики, чтобы проверить, насколько хорошо оно реагирует на то, что они называют «инцидентами с пешеходами»: может ли оно распознать человека или нет.
Конечно, в этих экспериментах нейтронное облучение намного выше, чем от космических лучей. Фактически, это примерно в 1,5 миллиарда раз больше, чем можно было бы получить в обычных условиях. «Такой подход позволяет нам проводить ускоренные испытания, как если бы устройство находилось в реальной среде в течение сотен тысяч лет», — объясняет Фрост. Экспериментаторы пытаются воспроизвести 100 ошибок в час и, исходя из известного нейтронного потока, вычислить, какой коэффициент ошибок будет в реальном мире. Их вывод: в среднем GPU каждые 3,2 года может произойти ошибка.
Казалось бы, немного. Но, если вы используете их в большом количестве, например, в суперкомпьютерах или в критически важной для безопасности системе, то эти цифры будут недостаточно хорошими. При такой частоте ошибок в суперкомпьютере с 1800 устройствами ошибка будет возникать каждые 15 часов. Что касается автомобилей, то при наличии примерно 268 миллионов «умных» автомобилей в ЕС и 10 миллионов автомобилей, находящихся на дорогах в любой момент времени, будет происходить 380 ошибок в час, что нехорошо.
Масштабность
Увеличение размеров суперкомпьютеров, может усугубить проблему в следующем десятилетии. Первый суперкомпьютер Cray-1 был размером с пару комнат, а современные серверы занимают площадь, равную футбольному полю. Поэтому учёные активно работают над дополнительными методами проверки ошибок, которые могут быть использованы по мере роста суперкомпьютеров. А в сфере беспилотных автомобилей много сил тратится на анализ точек отказа. То есть зон, где возникают критические неисправности в микросхемах GPU, способные вызвать аварии.
Задача-минимум: предотвратить хотя бы ошибки в этих зонах.
Другой метод, используемый для проверки точности расчётов на суперкомпьютере, — это использование физики. В большинстве научных приложений есть некоторые константы, например, общая энергия системы должна быть постоянной. Поэтому время от времени можно проверять приложение, чтобы узнать, теряет ли система энергию или набирает её. Если это происходит, значит, что что-то идёт не так.
И Реч, и Баутиста-Гомес используют искусственный интеллект для создания систем, способных выявлять сбои. Паоло Реч работает с разработчиками ПО для проверки автономных транспортных средств, которое позволяет сравнивать последовательные изображения и выполнять «проверку чувствительности». На данный момент этот метод выявил 90% ошибок. Баутиста-Гомес использует машинное обучение для анализа выходных данных в режиме реального времени. «Например, если вы выполняете моделирование климата, эта система машинного обучения может анализировать давление и температуру моделирования.
Глядя на эти данные, он узнает нормальные варианты, и когда у вас есть искажение данных, которое вызывает большие изменения, это может сигнализировать о том, что что-то не так». Такие системы пока широко не используются, но Баутиста-Гомес ожидает, что они понадобятся в будущем.
Квантовая головоломка
Если заглянуть в будущее, где вычисления, скорее всего, будут квантовыми, то становится понятно, как усложнят нашу жизнь космические лучи. Базовая единица квантовой информации, кубит, может существовать в трех состояниях: 0, 1 и смешанном, что обеспечивает параллельные вычисления и возможность выполнять расчёты, слишком сложные даже для современных суперкомпьютеров. Чтобы квантовые компьютеры функционировали, кубиты должны быть когерентными — это означает, что они действуют вместе с другими битами в квантовом состоянии. Сегодня самый длительный период когерентности для квантового компьютера составляет около 200 микросекунд.
Ученые изучали, как космические лучи могут вызвать декогеренцию кубитов, что является проблемой для квантовых вычислений.
Учёные Формаджо и Уильям Оливер из Массачусетского технологического института провели эксперимент с использованием радиоактивной медной фольги, производящей изотоп меди-64, распадающейся с периодом полураспада чуть более 12 часов. Они поместили её в холодильник с охлаждённым до жидкообразного состояния 3He и 4He со сверхпроводящими кубитами Оливера. «Сначала мы включал свой прибор, и ничего не работало», — описывает Формаджо, «но через несколько дней, появилась возможность зафиксировать хоть что-то [в квантовой когерентности], потому что радиоактивность снижалась. Мы делали это в течение нескольких недель и могли наблюдать, как кубит медленно возвращается к исходному состоянию». Исследователи также продемонстрировали эффект, создав массивную двухтонную стену из свинцовых кирпичей, которую они поднимали и опускали для защиты кубитов каждые 10 минут, и увидели, как меняется стабильность кубитов.
На основе этих экспериментов они предсказали, что космическое и другое внешнее излучение ограничивает когерентность кубита максимум до 4 миллисекунд (Nature 584 551).
Проблема пока ещё не является серьёзной, но по мере увеличения времени когерентности радиационные эффекты станут более значительными.
Конечно, как и в случае с суперкомпьютерами, сообщество учёных ищет способ обойти эту проблему. Google предложил добавить островки из алюминиевой пленки в свой 53-кубитный квантовый процессор Sycamore. Кубиты сделаны из гранулированного алюминия, сверхпроводящего материала, содержащего смесь наноразмерных зерен алюминия и аморфного оксида алюминия. Они сидят на кремниевой подложке, и когда на неё воздействует излучение, происходит обмен фотонами между кубитом и подложкой, что приводит к декогеренции. Есть надежда, что островки алюминия будут улавливать фотоны.
Другое решение, предложенное Google, — это специальный код квантовой коррекции ошибок, называемый «поверхностным кодом». Google разработал шахматную доску расположения кубитов, где «белые квадраты» представляют кубиты данных, которые выполняют операции, а «черные квадраты» выявляют ошибки в соседних кубитах.
Расположение позволяет избежать декогеренции, полагаясь на квантовую запутанность квадратов.
Задача на ближайшие несколько лет — найти способ повысить устойчивость суперкомпьютерных технологий. Возможно, что ошибки, вызванные космическим излучением, могут стать препятствием для более быстрых суперкомпьютеров, даже если размер компонентов будет уменьшаться.
Что ещё интересного есть в блоге Cloud4Y
→ Изучаем своё железо: сброс паролей BIOS на ноутбуках
→ Реклама в Windows 11 сломала «Пуск» и панель задач некоторых пользователей
→ Клавиатуры, которые постигла неудача
→ Мониторинг СУБД VMware Cloud Director и vCenter Server Appliance с помощью Zabbix
→ Из кузова грузовика в сумочку: самые известные портативные компьютеры
Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить очередную статью. Пишем не чаще двух раз в неделю и только по делу.
Космические лучи — причина случайных компьютерных сбоев? / Хабр
Если ваш компьютер внезапно завис, выдал «синий экран смерти» или не смог скопировать файл — не спешите обвинять производителя компьютерной техники или глючной памяти.
Возможно, причина сбоя — космическая радиация. Такие события называются «нарушением в результате единичного события» (single-event upset, SEU).
Нарушение в результате единичного события — это изменение состояния электронного компонента, вызванное одной частицей ионизирующего излучения (ион, фотон, протон, нейтрон и т.д.), которая сталкивается с чувствительным узлом системы, таким как микропроцессор, полупроводниковая память или мощный транзистор. Изменение состояния происходит из-за возникновения свободного заряда, который появляется в результате ионизации внутри или рядом с чувствительным узлом системы или логическим элементом, таким как бит памяти. В итоге устройство выдаёт ошибку. Эту единичную ошибку и называют «нарушением в результате единичного события», SEU или просто случайным сбоем (soft error).
Случайные сбои из-за космической радиации действительно периодически происходят даже на земле, а вероятность их появления в самолётах на высоте и на околоземной орбите в сотни раз больше.
Чем выше — тем более вероятно, потому что там более разреженная атмосфере и слабее защита от космической радиации.
Последствия SEU могут быть разными. Например, в цифровой фотографии может выпасть один пиксель. Ничего страшного. Другое дело, если из-за космического нейтрона глючит компьютерная система самолёта — и ему приходится идти на вынужденную посадку. Такое действительно однажды случилось с военно-транспортным самолётом C-141B Starlifter, который испытал случайный сбой во время полёта над Японским морем с более чем 100 пассажирами на борту. Во время полёта самолёт внезапно свалился на правое крыло. Экипажу удалось выправить крен и посадить самолёт. Последующее расследование показало, что микрочип в системе автоматического управления внезапно выдал ложные показания с неверным битом — вероятно, из-за столкновения с нейтроном.
По статистике, на большой высоте через каждый квадратный метр поверхности проходит примерно 1600 космических частиц в секунду. То есть через каждый квадратный сантиметр проходит примерно 600 космических частиц в час.
Исходя из таких предпосылок, случайные сбои могут быть совсем не такими редкими событиями, как кому-то кажется.
На высоте более 9000 метров интенсивность нейтронного потока в 300 раз выше, чем на уровне моря. Настолько же возрастает вероятность нарушения в результате единичного события. К сожалению, не существует никакой реальной защиты от космических лучей, так что остаётся лишь полагаться на везение.
7 октября 2008 года авиалайнер Airbus A330-303 компании Qantas Airways шёл по маршруту из Перта (Австралия) в Сингапур. На высоте 11 300 метров произошёл сбой в одном из трёх опорных инерциальных блоков, в результате чего в компьютерную систему управления были отправлены некорректные данные. По этой причине самолёт резко ушёл вниз, подкинув вверх пассажиров, которые не были пристёгнуты ремнями безопасности. Травмы получили 110 из 303 пассажиров, а также 9 из 12 членов экипажа. Среди пассажиров 12 человек получили серьёзные травмы, а ещё 39 человек обратились в больницу.
Среди всех возможных причин сбоя инерциального блока осталась неисключённой только SEU, остальные признаны «маловероятными» или «очень маловероятными». Однако Австралийский совет по безопасности транспорта посчитал «недостаточными свидетельства для оценки вероятности», что именно SEU стала причиной сбоя.
Хотя на Земле вероятность единичного сбоя из-за космического излучения в 300 раз ниже, чем на высоте 9000 метров, но иногда этому явлению приписывают самые необъяснимые события, которые происходят с компьютерной техникой. Например, в 2003 году машина для электронного голосования в городе Схарбек (Бельгия) добавила 4096 голосов одному из кандидатов на выборах. Расследование показало, что этот сбой был вызван изменением одного бита в памяти устройства. Причиной назвали космическое излучение. Что характерно, ошибку обнаружили только благодаря тому, что кандидат получил больше голосов, чем было возможно. Иначе бы сбой остался незамеченным.
«Это действительно большая проблема, но она в значительной степени остаётся незаметной для общества», — говорит Бхарат Б’ува (Bharat Bhuva), член научно-исследовательской группы по изучению эффектов радиации (Radiation Effects Research Group) и профессор электротехники в Университете Вандербильта (США).
Эта исследовательская группа была образована в 1987 году в том числе для изучения влияния космического излучения на электронные системы. Первоначально группа занималась военными и космическими системами, но с 2001 года расширила сферу интересов и на бытовую электронику.
Хотя существуют довольно яркие примеры сбоев техники, SEU остаются исключительно редким феноменом. Но специалисты обращают внимание, что электронные микросхемы всё чаще используются в различных бытовых приборах. Плотность транзисторов на чипах возрастает, как и их количество. Из-за этого вероятность встречи с «космическим сбоем» растёт с каждым годом. Производители электротехники изучают проблему. Например, в 2008 году инженеры компании Fujitsu забрались на гавайский вулкан, чтобы измерить космическое излучение на высоте 4200 метров. Там оно примерно в 16 раз выше, чем на уровне моря.
Для защиты от космического излучения производители бытовой электроники пытаются использовать менее чувствительные материалы и коды исправления ошибок (error-correction codes).
В более дорогих устройствах можно применять системы дублирования.
У инженеров, системных администраторов и программистов теперь есть отличная «отмазка», чтобы объяснить странные глюки компьютерной техники.
Что такое космические лучи? Почему они важны? |
Космические лучи представляют собой заряженные субатомные частицы, которые постоянно падают на Землю со всех сторон.
«Их называют лучами, но на самом деле это частицы, — объясняет Стефан Вестерхофф, профессор физики в Университете Висконсин-Мэдисон, — и они бывают самых разных энергий. При низких энергиях их очень много. При высоких энергиях они очень редки».
Обнаружение происхождения высокоэнергетических космических лучей было граалем физики с момента их открытия.
Космические лучи впервые привлекли внимание ученых вскоре после открытия в 1896 году радиоактивности таких химических элементов, как уран. Ионизацию воздуха — атмосферное электричество — сначала ошибочно приписывали радиоактивным элементам на Земле.
Австрийский физик Виктор Гесс на воздушном шаре, который он использовал, чтобы определить, что энергичные частицы, обнаруженные в воздухе, пришли из космоса.
Однако это представление было развеяно в 1912 году, и родилась область физики космических лучей, когда австрийский физик Виктор Гесс с большим личным риском поднял устройства, известные как электрометры, высоко в атмосферу на свободно плавающем водородном шаре для измерения скорость ионизации при увеличении высоты. На высоте более 17 000 футов Гесс обнаружил, что скорость ионизации почти в четыре раза выше, чем на уровне земли, продемонстрировав, что ионы, несущиеся по воздуху, имеют внеземное происхождение.
После открытия Гессом космического излучения, за которое он получил Нобелевскую премию в 1936 году, следующим вопросом для новой области физики космических лучей стал вопрос: из чего состоят частицы и как их создает природа? Откуда они?
Ученые теперь знают, что большинство высокоэнергетических частиц, прилетающих из космоса, — это протоны — атомные ядра водорода, самого распространенного элемента во Вселенной.
Гелий и большинство других элементов также представлены в смеси космических лучей, но в гораздо меньшей степени, чем водород.
К 1930-м годам космические лучи стали важным окном для частиц меньше атома. Когда космические лучи достигают Земли, они могут сталкиваться с ядрами атомов в атмосфере, создавая поток из миллиардов вторичных частиц. Пока люди не построили первые ускорители частиц в 1950-х годах, космические лучи были единственным способом изучения частиц меньше атома. Частицы, падающие на Землю в результате космических лучей, и растущая способность науки обнаруживать и анализировать разнообразие вторичных частиц в потоках привели к ряду важных открытий. Позитроны, мюоны, пионы, каоны и другие вещества были отсортированы из субатомного беспорядка, начиная с XIX века.30-х, добавляя к растущему зоопарку частиц.
Vandenbroucke
Но выяснить, откуда берутся космические лучи, — более сложная задача, потому что по мере того, как заряженные частицы пролетают в космосе, их траектории искажаются мощными магнитными полями, засоряющими межзвездное и межгалактическое пространство.
Короче говоря, нет прямого пути обратно к такому источнику, как фотон звездного света, который предоставляет астрономам, отмечает профессор физики Университета Вашингтона в Мэдисоне Джастин Ванденбрук.
Таким образом, обнаружение того, откуда берутся более энергичные космические лучи, было граалем физики с момента их открытия. Подозреваемые источники включают в себя некоторые из самых жестоких явлений во Вселенной, объекты, которые действуют как массивные ускорители — гораздо более мощные, чем какие-либо на Земле, — чтобы отправлять частицы, летящие через Вселенную со скоростью света. Наиболее распространенные низкоэнергетические космические лучи исходят от Солнца в виде потока заряженных частиц, явление, известное как солнечный ветер. Ученые считают, что космические лучи с самой высокой энергией могут исходить от остатков сверхновых, гамма-всплесков, сталкивающихся галактик и класса объектов, известных как активные галактические ядра, ядра черных дыр массивных галактик.
«Космические лучи самых высоких энергий являются внегалактическими, — говорит Ванденбрук, — и, исходя из измерений IceCube, мы думаем, что блазары — не единственный их источник».
Блазары, тип объектов, идентифицированных обсерваториями IceCube, MAGIC и Fermi как первый идентифицированный внегалактический источник космических лучей, являются типом активных галактических ядер. Их отличают двойные струи энергии и материи, вырывающиеся подобно лазеру из полюсов быстро вращающейся сверхмассивной черной дыры в центре галактики. Когда струя активного галактического ядра направлена прямо на Землю, это классифицирует объект как блазар. Более того, джеты иногда вспыхивают на период от минут до месяцев, становясь в 10 раз ярче.
Ключом к идентификации блазара как источника космических лучей является нейтрино высоких энергий: почти безмассовая, незаряженная частица, которая, в отличие от космических лучей, движется по прямой линии от места своего происхождения, считается, что относится к тому же типу далеких ускорителей, генерирующих космические лучи.
IceCube, крупнейший в мире детектор частиц, был построен специально для обнаружения нейтрино высоких энергий, генерируемых в ускорителях на расстоянии в миллионы и даже миллиарды световых лет.
Когда нейтрино сталкивается с протоном, он создает мюон, который, в свою очередь, создает полосу бледно-голубого света при прохождении через среду, такую как глубокий антарктический лед, из которого состоит детектор IceCube. Когда такое событие происходит в IceCube или рядом с ним, свет обнаруживается и наносится на карту сеткой из 5160 датчиков обсерватории, окруженной льдом, что обеспечивает указатель на область космоса, где возникло нейтрино. Когда IceCube обнаруживает нейтрино с самой высокой энергией, как это было 22 сентября 2017 года, в течение минуты он автоматически отправляет общественное предупреждение обсерваториям по всему миру, чтобы они смотрели в направлении, откуда пришли нейтрино.
MAGIC, или Большой черенковский телескоп для получения атмосферных и гамма-изображений, и космический телескоп NASA Fermi являются гамма-телескопами. Гамма-лучи являются наиболее энергичным типом фотонов. Глядя в направлении, откуда пришло нейтрино, обнаруженное IceCube, телескопы приблизились к известному блазару, находящемуся в миллиардах световых лет от нас, но менее чем в 0,1 градуса от места, на которое указывало нейтрино, прямое попадание.
«Теперь мы идентифицировали по крайней мере один источник, который производит космические лучи, потому что он производит космические нейтрино», — говорит Фрэнсис Халзен, профессор физики из Университета Вашингтона в Мэдисоне, который является главным исследователем нейтринной обсерватории IceCube. «Нейтрино — это продукты распада пионов и каонов. Для их производства нужен ускоритель протонов (читай космических лучей). Таким образом, источники нейтрино также являются источниками космических лучей».
Предполагаемые источники космических лучей, связанные с нейтринными событиями, идентифицировались ранее несколько раз, в том числе с помощью IceCube и его предшественника на Южном полюсе, AMANDA или Antarctic Muon and Neutrino Detector Array, гораздо меньшей и менее чувствительной версии детектор тока. Но одних этих случайных наблюдений было недостаточно, чтобы заявить об открытии.
Космические лучи: частицы из космоса
На микрофотографии видно, как высокоэнергетические электроны прорываются сквозь пленочную эмульсию, расположенную в спектрометре за пределами целевой камеры для испытаний петаваттного лазера.
Дорожки слегка изогнуты из-за того, что эмульсия слегка изогнута в держателе (Изображение: НАСА/Центр космических полетов им. Маршалла и Университет Алабамы в Хантсвилле)
В августе 1912 года австрийский физик Виктор Гесс совершил исторический полет на воздушном шаре, который открыл новое окно в мир материи. Поднявшись на высоту 5300 метров, он измерил скорость ионизации в атмосфере и обнаружил, что она увеличилась примерно в три раза по сравнению с уровнем моря. Он пришел к выводу, что проникающая радиация проникала в атмосферу сверху. Он открыл космические лучи.
Эти высокоэнергетические частицы, прибывающие из космоса, представляют собой в основном (89%) протоны – ядра водорода, самого легкого и наиболее распространенного элемента во Вселенной, но они также включают ядра гелия (10%) и более тяжелые ядра (1% ), вплоть до урана. Когда они достигают Земли, они сталкиваются с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы, создавая новые частицы, в основном пионы. Заряженные пионы могут быстро распадаться, испуская частицы, называемые мюонами.
В отличие от пионов, они не взаимодействуют сильно с материей и могут путешествовать через атмосферу, чтобы проникнуть под землю. Скорость мюонов, прибывающих на поверхность Земли, такова, что примерно один мюон в секунду проходит через объем размером с голову человека.
Новый мир частиц
Исследования космических лучей открыли дверь в мир частиц за пределами атома: первая частица антивещества позитрон (антиэлектрон) была открыта в 1932 году, мюон в 1937 году, за ними следуют пион, каон и еще несколько. До появления ускорителей частиц высоких энергий в начале 1950-х годов это естественное излучение было единственным способом исследовать растущий «зоопарк» частиц. Действительно, когда в 1954 году был основан ЦЕРН, его конвенция включила космические лучи в список научных интересов. Но даже несмотря на то, что ускорители стали лучшей охотничьей площадкой для новых частиц, физика космических лучей по-прежнему широко изучается.
Энергия первичных космических лучей колеблется от примерно 1 ГэВ (энергия относительно небольшого ускорителя частиц) до целых 10 8 ТэВ, что намного выше, чем энергия луча Большого адронного коллайдера.
Скорость, с которой эти частицы достигают верхних слоев атмосферы, падает с увеличением энергии, примерно с 10 000 на квадратный метр в секунду при 1 ГэВ до менее одного на квадратный километр в столетие для частиц с самой высокой энергией. Космические лучи очень высокой энергии генерируют огромные ливни из 10 миллиардов вторичных частиц или более, которые могут быть обнаружены детекторами частиц, когда они распространяются на площади до 20 квадратных километров на поверхности Земли.
Космические ускорители
Как космические лучи достигают таких высоких энергий? Где естественные ускорители? Космические лучи с самой низкой энергией исходят от Солнца в виде потока заряженных частиц, известного как солнечный ветер, но определение происхождения частиц с более высокой энергией затруднено, поскольку они крутятся и вращаются в магнитных полях межзвездного пространства.
Подсказки получены в результате изучения высокоэнергетического гамма-излучения из космоса. Их намного меньше, чем заряженных космических лучей, но, будучи электрически нейтральными, они не подвержены влиянию магнитных полей.