Астрономы впервые нашли источник нейтрино сверхвысоких энергий. Это был блазар

Астрономы впервые смогли идентифицировать источник космических нейтрино высоких энергий, зафиксированных обсерваторией IceCube несколько лет назад. Параллельные наблюдения в гамма-диапазоне и анализ архивных данных позволил ученым сделать вывод, что частицы с энергиями в сотни раз, больше, чем у протонов в Большом адронном коллайдере, породил блазар — активное ядро галактики, свет от которой шел до Земли несколько миллиардов лет. Этот результат означает новый этап развития многоканальной астрономии и подтверждает идею, что блазары — источники космических лучей высоких энергий. Статьи (1, 2) опубликованы в Science.

Космические лучи привлекают внимание ученых уже по меньшей мере 100 лет. Они представляют собой ядра атомов и элементарные частицы, которые движутся в космическом пространстве и обладают самыми высокими энергиями, наблюдаемыми в природе. Энергия некоторых частиц намного превышает ту, которой можно добиться с помощью современных ускорителей — она варьируется от 10⁹ до 10²⁰ электронвольт. Состав и распределение частиц по энергиям могут дать бесценную информацию об устройстве Вселенной. Ранее уже появлялись сообщения о том, что космические лучи сверхвысоких энергий имеют внегалактическую природу, однако точные источники установить не удавалось. Предполагалось, что ими могут быть взрывы сверхновых, источники гамма-всплесков или активные галактические ядра, содержащие сверхмассивные черные дыры.

Одна из интереснейших задач в деле изучения космических лучей — регистрация астрофизических нейтрино высоких энергий. Предполагается, что эти частицы рождаются в результате распада мезонов, образующихся в космических «ускорителях» или вблизи них, когда космические лучи взаимодействуют с атомными ядрами и фотонами. Благодаря тому, что нейтрино очень легкие, не имеют заряда и взаимодействуют с веществом только на очень малых, субатомных расстояниях, ученые получают возможность по энергетическому спектру зарегистрированных частиц и по направлению их прилета определить, какие процессы происходят в том или ином далеком астрофизическом объекте.

Ранее астрономы знали о существовании двух точно идентифицированных источников астрофизических нейтрино: Солнце и сверхновая 1987А, вспыхнувшая в соседней с нами галактике Большое Магелланово Облако. Однако зарегистрированные от них нейтрино обладают энергиями в миллионы раз ниже, чем наблюдаемый диффузный поток нейтрино высоких энергий, поэтому проблема механизмов генерации космических нейтрино высоких энергий и поиска их источников по-прежнему остается актуальной. Поиск осложняет малое сечение взаимодействия нейтрино с веществом, из-за чего возникает необходимость создания крупных детекторов, и небольшой объем набранной на текущий момент статистики по данным.

Один из существующих и результативных детекторов нейтрино — обсерватория IceCube, расположенная в Антарктиде. Система имеет объем в один кубический километр (отсюда и название) и состоит из 5000 оптических датчиков, расположенных на 86 вертикальных «нитях» на расстоянии 125 метров друг от друга и залегающих на глубинах от 1450 до 2450 метров в толще льда. В результате взаимодействия нейтрино со льдом и слоем грунта образуются мюоны, при движении которых возникает черенковское излучение, которое регистрируют датчики, что позволяет оценить энергию нейтрино и направление движения частиц. Ранее обсерватория сообщала об уверенной регистрации потока астрофизических нейтрино, а в прошлом году смогла впервые «поймать» сразу три нейтрино.

22 сентября 2017 года в 20-54 по Гринвичу автоматическая система детектора зарегистрировала событие IceCube-170922A, которое представляло собой мюонную «дорожку», образовавшуюся в ходе взаимодействия нейтрино высоких энергий со льдом. Сообщение о регистрации было разослано другим наблюдателям, в том числе нейтринному телескопу ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch), который, правда, ничего не обнаружил в течение ± одного дня от момента регистрации события. 28 сентября 2017 года команда космической гамма-обсерватории «Ферми» сообщила, что определенное направление прилета зарегистрированных нейтрино со средней энергией 290 ТэВ соответствовало известному источнику гамма-лучей в состоянии повышенной активности.

Это блазар TXS 0506 + 056, являющийся активной галактикой и расположенной недалеко от левого плеча созвездия Ориона. Свет от источника добирался до Земли четыре миллиарда лет. В дальнейшем вспышку гамма-излучения из этого источника подтвердили наземные черенковские телескопы, в том числе MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope) и система H.E.S.S.(High-Energy Stereoscopic System), а к наблюдениям подключились наземные оптические телескопы VLT, «Субару», система радиотелескопов VLA, космические рентгеновские и гамма-обсерватории Swift, INTEGRAL и NuSTAR, и другие наземные обсерватории которые подтвердили повышенную активность источника на всех длинах волн. В совокупности эти наблюдения обеспечивают достаточно полную и одновременную картину регистрации частиц и излучения от блазара в диапазоне энергий от 0,3 килоэлектронвольт до 400 гигаэлектронвольт. Анализ архивных данных детектора IceCube позволил обнаружить более десятка событий регистрации астрофизических нейтрино с начала ноября 2014 года от этого же источника с достоверностью три сигма.

Блазары часто предлагались в качестве потенциальных источников нейтрино высоких энергий. В ядрах этих активных галактик центральная сверхмассивная черная дыра преобразует гравитационную энергию аккрецирующего вещества и/или вращательную энергию черной дыры в мощные релятивистские струи (джеты), в которых частицы могут быть ускорены до очень высоких энергий, что, при взаимодействии с окружающим веществом или излучением, может привести к возникновению потока высокоэнергетических пионов, которые, в конечном итоге, распадаются на фотоны и нейтрино. Благодаря определенному точному направлению IceCube170922A, в сочетании с обширными многоволновыми наблюдениями, вероятность корреляции между зарегистрированным потоком нейтрино высоких энергий и блазаром TXS 0506 + 056, как их источником, может считаться высокой (на уровне 3,5 сигма) и такие объекты могут являться источниками для, по меньшей мере, части наблюдаемых астрофизических нейтрино с энергиями выше 10 тераэлектронвольт.

Это примечательное достижение для многоканальной астрономии (Multi-Messenger Astronomy, MMA) — области науки, зародившейся еще при наблюдениях вспышки сверхновой 1987А и получившей новый виток развития в прошлом году при одновременной регистрации гравитационных волн и вспышки килоновой от слияния нейтронных звезд. Подобные наблюдения за астрофизическими объектами и процессами проводимые одновременно на разных телескопах позволяют получить более полную картину происходящего и проверить многие существующие теории. В России в настоящий момент создается нейтринный телескоп, находящийся на дне озера Байкал, который, после завершения строительства в 2020 году, станет сравним по объему с обсерваторией IceCube.

Ранее мы рассказывали о первых результатах обсерватории DAMPE — новейшего орбитального детектора космических лучей и о том, что нового ученые узнали, проанализировав их.

Александр Войтюк