Космические лучи и нейтрино экстремально высоких энергий, вероятно, родом из одного места

В прошлом году обнаружилось, что нейтрино, достигающие Земли, имеют необъяснимо высокие энергии. Как и парадоксально высокоэнергичные космические лучи, периодически добирающиеся до планеты. Американские астрофизики полагают, что и те, и другие поступают из одного источника.

Не так давно «Массив телескопов» (международный проект с российским участием) зарегистрировал статистически значимый избыток космических лучей ультравысоких энергий — выше 57 ЭэВ (10¹⁸ эВ) — в регионе, равном 1 150 квадратным градусам. И пришёл он из района, который одна группа исследователей относит к источнику 28 сверхэнергичных нейтрино, зафиксированных детектором IceCube. Что породило эти потоки?

Кэ Фан (Ke Fang) из Чикагского университета (США) вместе с коллегами взялась сопоставить два события из совершенно разных, казалось бы, областей: нейтрино, уловленные IceCube, имеют энергию до 2 000 ТэВ, то есть в огромное число раз слабее, чем космические лучи, принятые «Массивом телескопов».

Кроме того, нельзя не заметить, что сверхэнергичные нейтрино, регистрировавшиеся в 2012–2013 годах, пришли хотя и с одного направления, но их падение на Землю предсказуемо происходило не в одно время (да и нейтринные детекторы пока далеки от совершенства, что затрудняет однозначное определение точки исхода). Кроме того, самым вероятным кандидатом в прародители этих частиц исследователи считают блазар — чёрную дыру, активно пожирающую материю и выбрасывающую джеты, вдоль которых и вылетали нейтрино. Естественно, что объекты такого рода редко бывают маленькими, а потому некоторый пространственный разброс нейтрино вполне ожидаем.

В центре блазара Маркарян-421 находится активная сверхмассивная чёрная дыра, которая... В общем, все они, как вы знаете, делают одно и то же: едят, излучают и испускают струи материи. Авторы рассматриваемой работы полагают, что энергичные космические лучи и нейтрино, регистрируемые на Земле, являются побочным продуктом пищеварительных процессов этого бурно функционирующего объекта. (Иллюстрация NASA / JPL.)

Тем не менее авторы исследования, воспользовавшись методом Монте-Карло, всё же сопоставили районы поступления космических лучей ультравысоких энергий и куда менее энергичных нейтрино и получили результат, согласно которому и те и другие действительно пришли с одного направления, а именно из района блазара Маркарян-421. Эта галактика, активно излучающая в разных диапазонах, хотя и удалена от нас на 400 млн световых лет, считается одним из ярчайших блазаров на ночном небе Земли, что объясняется ещё и тем, что это один из самых близких к нам объектов такого рода.

Подчеркнём: гипотеза о происхождении нейтрино и упомянутых космических лучей из одного источника смотрится привлекательно. До сих пор представить убедительные сценарии наработки нейтрино в тысячи ТэВ не удавалось, и их соотнесение с джетами близкого блазара кажется вполне логичным. Особенно важно то, что источником указан именно блазар Маркарян-421: он так близко, что рождённые там частицы ультравысоких энергий должны добираться до Земли, избегая предела Грайзена — Зацепина — Кузьмина (ГЗК), который ранее вроде бы нарушался при периодическом достижении нашей планеты частиц с энергией, превышающей 50 ЭэВ.

Хотя, по пределу ГЗК, средняя дистанция гашения энергии таких частиц равна всего 160–170 млн световых лет, какая-то их часть даже с расстояния в 400 млн лет вполне способна попасть на Землю.

Красным отмечены точки прихода на Землю нейтрино особо высоких энергий; синий круг показывает галактику Маркарян-421. (Иллюстрация Ke Fang et al.)

И всё-таки представленным данным пока не хватает убедительности: достоверность прихода нейтрино и космических лучей из одного источника на сегодня равна лишь 2σ. С учётом небольшого количества зафиксированных нейтрино с энергиями выше 1 000 ТэВ слабость этой статистики вполне понятна.

Что ж, нам остаётся только ждать, когда будут зарегистрированы очередные космические лучи и нейтрино особо высоких энергий.