11.3K
Наблюдательная кампания, развернутая в космосе, на земле и под землей, позволила астрономам впервые обнаружить источник космических нейтрино высоких энергий, призрачных элементарных частиц, которые могут преодолевать расстояния в миллиарды световых лет, оставаясь «нетронутыми» звездами, планетами и целыми галактиками. Выводы ученых представлены в журнале Science.
«Нейтрино очень высоких энергий образуются при взаимодействии ускоренных частиц космических лучей с другими частицами. То, что мы обнаружили, является не только первым свидетельством источника нейтрино, но и доказательством того, что галактики являются естественными ускорителями. Это важный этап для нейтринной астрономии. Мы открываем новое окно во вселенную высоких энергий», – рассказывает Гари Хилл из Аделаидского университета (Австралия).
Неуловимые посланники Вселенной
Согласно современным моделям, высокоэнергетические нейтрино – это своего рода побочный продукт космических лучей, которые создаются в природных ускорителях частиц, таких как аккреционный диск сверхмассивной черной дыры или взрывающаяся звезда. Однако, в отличие от электрически заряженных частиц космических лучей, нейтрино, исходя из названия, нейтральны и, следовательно, не отклоняются магнитными полями при прохождении через пространство. Это означает, что направление, из которого они поступают, указывает прямо на их фактический источник. «Наблюдение космических нейтрино дает нам возможность узнать о процессах, непрозрачных для электромагнитного излучения», – пояснил Клаус Хелбинг из Университета Вупперталя (Германия).
Однако обнаружение нейтрино чрезвычайно сложная задача, поскольку большинство из этих призрачных частиц проходят сквозь Землю, не оставляя следов. И лишь в очень редких случаях они взаимодействуют со своим окружением. Поэтому для захвата, по крайней мере, нескольких событий требуется огромное количество детекторов.
Одним из них является «IceCube». Он расположен в антарктическом льду и представляет собой 86 лунок глубиной 2500 метров, в которые в общей сложности помещено 5160 световых датчиков, распределенных по общему объему в один кубический километр. Датчики регистрируют крошечные вспышки света, возникающие во время редких нейтринных взаимодействий.
Пять лет назад «IceCube» представил первое доказательство высокоэнергетических нейтрино из глубин космического пространства. Однако эти нейтрино, казалось, поступали из случайных участков неба. «До сих пор мы не знали, откуда они пришли, но одно событие, записанное 22 сентября 2017 года, позволило нам идентифицировать первый источник», – сказала Элиза Рескони из Мюнхенского технического университета (Германия).
От радиоволн до гамма-излучения
Энергия рассматриваемого нейтрино составляла около 300 тераэлектронвольт (ТэВ), что более чем в 40 раз больше чем у протонов, произведенных в крупнейшем в мире ускорителе частиц Большом адронном коллайдере.
В течение нескольких минут после регистрации нейтрино детектор «IceCube» автоматически оповестил множество астрономических обсерваторий по всему миру. Они приступили к мониторингу области неба из которой пришла частица, просматривая весь электромагнитный спектр: от высокоэнергетических гамма- и рентгеновских лучей до видимого света и радиоволн. Слаженная работа позволила впервые определить источник высокоэнергетического нейтрино.
«Мы увидели активную гигантскую галактику, из которой в космос вылетают огромные «струи» частиц под прямым углом к массивному вихрю, засасывающему материю в сверхмассивную черную дыру. Астрофизики давно подозревали, что эти джеты генерируют значительную часть космического излучения, и теперь мы нашли ключевые доказательства», – пояснил Марек Ковальский из Берлинского университета им. Гумбольдта (Германия).
Объект TXS 0506 + 056, идентифицированный как источник нейтрино, является блазаром, то есть активной галактикой, чей джет направлен в нашу сторону. Он находится на расстоянии 3,7 миллиарда световых лет от Земли в направлении созвездия Ориона. Наблюдения космической гамма-обсерватории NASA «Fermi» показали резкое увеличение активности блазара 22 сентября прошлого года, а впоследствии и наземный гамма-телескоп уловил сигнал от TXS 0506 + 056. Гамма-лучи наиболее близки по энергии к нейтрино и играют решающую роль в определении механизма их создания.
Подтверждение найдено в архивах
После получения полной картины о событии и источнике международная команда ученых из всех задействованных групп совместно провела сложный статистический анализ, чтобы определить, была ли корреляция между нейтринными и гамма-наблюдениями простым совпадением. Они подсчитали, что вероятность того, что это случайность, составляет около 0,1 процента. Этого недостаточно, чтобы подавить профессиональный скептицизм физиков.
Дальнейшая работа исправила погрешность. Ученые «IceCube» проштудировали данные за последние годы в поисках предыдущих фиксаций нейтрино, пришедших из того же участка неба. В итоге за период с сентября 2014 года по март 2015 года они обнаружили более дюжины частиц-призраков, вероятным источником которых также является TXS 0506 + 056. С новыми данными шанс на случайное совпадение оказался равен всего 0,02 процента.
«Теперь у нас есть лучшее понимание того, что нам нужно искать. Это означает, что в будущем мы можем отслеживать такие источники более точно. Спустя более чем сто лет после открытия космических лучей нам удалось обнаружить конкретный внегалактический источник нейтрино высоких энергий», – заключила Элиза Рескони.