Астрофизикам удалось связать нейтрино сверхвысоких энергий со вспышками квазаров

Российские астрофизики провели совместный анализ светимости ядер активных галактик в радиодиапазоне и времени регистраций нейтрино высоких энергий. Оказалось, что эти два явления взаимосвязаны: нейтрино достигали Земли в периоды увеличенной радиояркости квазаров. Авторам удалось определить четыре конкретных источника, в которых с высокой вероятностью рождаются такие нейтрино. Все выделенные квазары обладают яркими джетами, которые ориентированы в сторону Земли, пишут авторы в журнале The Astrophysical Journal.

Нейтрино — это класс легчайших из обладающих массой частиц в Стандартной модели физики микромира. Эти объекты обладают крайне малым сечением взаимодействия с другими частицами, из-за чего их регистрация исключительно трудна даже с учетом высоких потоков. На данный момент всего несколько космических объектов однозначно отождествлены как источники нейтрино, в том числе Солнце, сверхновая 1987A и блазар TXS 0506+056, который стал первым определенным источником нейтрино высокой энергии.

Астрофизики уже давно выдвинули идею о рождении нейтрино высоких энергий в ядрах активных галактик, к которым, в частности, относятся и блазары. В первую очередь это обусловлено подходящими условиями в таких объектах: там возникают мощные магнитные поля и ударные волны, которые способствуют ускорению заряженных частиц, а последующие взаимодействия между ними могут приводить к появлению нейтрино.

Доказать эту гипотезу нелегко, так как фактически первым подходящим детектором нейтрино стал антарктический телескоп IceCube, строительство которого было завершено в 2010 году. Однако и эта огромная установка регистрирует события достаточно редко, а точность восстановления исходных параметров (координат источника и энергий частиц) часто недостаточна для однозначных выводов.

Российские астрофизики из Астрокосмического центра ФИАН, МФТИ и Института ядерных исследований РАН при участии Юрия Ковалева (Yuri Yu. Kovalev) протестировали эту идею статистическим методом, проведя совместный анализ данных о регистрациях нейтрино с энергиями выше 200 тераэлектровольт и яркости активных ядер галактик в радиодиапазоне. Авторы пришли к выводу, что между событиями наблюдается корреляция, причем источниками оказываются ядра активных галактик с временно повышенной яркостью в центре. Из-за малой выборки достоверно определить все источники не удалось, но ученые назвали четырех наиболее вероятных кандидатов — это квазары 3C 279, NRAO 530, PKS 1741−038 и OR 103.

В качестве исходных данных о нейтрино исследователи взяли информацию о регистрациях частиц с энергиями выше 200 ТэВ, направление на источники которых известны с точностью не хуже 10 квадратных градусов, — таких событий в базе данных IceCube оказалось 56 (при этом доля не связанных с астрономическими процессами фоновых событий оценивается как минимум в треть). Этот энергетический порог был выбран, так как имеющиеся данные свидетельствуют в пользу существования двух нейтринных компонент с различными характерными энергиями, причем выше 200 ТэВ одна из них начинает доминировать.

Другим источником информации стали наблюдения активных ядер галактик в радиодиапазоне. Астрофизики смотрели на совпадение координат источников нейтрино с такими объектами, а также использовали архивные данные о светимости ряда таких небесных тел. Первый набор данных, покрывающий все небо, был получен различными системами интерферометров, а второй — российским радиотелескопом РАТАН-600, который наиболее чувствителен в диапазоне склонений −30 до +43 градусов.

Анализ показал, что нейтрино статистически значимо приходят с направлений, где наблюдаются активные ядра галактик, чья центральная яркость в радиодиапазоне оказывается выше, чем у объектов подобного типа в среднем. Случайная вероятность подобного совпадения оказалась равна 0,2 процентам. Также выяснилось, что во время регистраций нейтрино радиоизлучение этих ядер галактик было мощнее, чем в другие наблюдательные эпохи для этих же объектов, то есть они породили высокоэнергетичные частицы в фазе вспышки.

Результаты приближают ученых к разгадке природы космических источников нейтрино, а также позволяют предположить, почему этого не удавалось сделать ранее. Так, одним из активных направлений исследований был поиск корреляций между источниками нейтрино и гамма-квантов. Однако светимость в гамма-диапазоне для выделенных объектов различается на порядки, что указывает на непрозрачность вещества в центре таких тел для гамма-излучения и неэффективности поиска подобной корреляции.

Дополнительную информацию о природе нейтрино высоких энергий астрофизики ожидают получить после полноценного введения в строй новых нейтринных телескопов, таких как Baikal-GVD и KM3NeT, которые смогут точно восстанавливать координаты для большего числа событий. Однако вместе с этим в последнее время по всему миру сворачиваются программы постоянного наблюдения активных ядер галактик отдельными радиотелескопами. Это может осложнить задачу, так как в отсутствии таких наблюдений будет неясно, пришло ли нейтрино во время вспышки активности ядра или нет.

Мы подробно писали о первой регистрации нейтрино сверхвысокой энергии в материале «Ледяное нейтрино». Позже ученые выдвинули идею, что данное событие связано со столкновениями потоков в джете блазара. До этого исследователям впервые удалось определить источник внегалактического нейтрино — им также оказался блазар.

Тимур Кешелава