Астрофизики считают, что нашли таинственный источник высокоэнергетических нейтрино

Некоторые из самых ярких и энергичных объектов во Вселенной являются загадочным источником высокоэнергетических космических нейтрино, подтвердило новое исследование.

Всесторонний анализ довольно убедительно связал галактики с пылающими ядрами, известными как блазары, с этими загадочными частицами.

Этот результат дает действительно неожиданное решение проблемы, которая заставляла астрофизиков ломать голову в течение многих лет.

"Полученные результаты впервые дают неопровержимые наблюдательные доказательства того, что подвыборка блазаров PeVatron является внегалактическими источниками нейтрино и, следовательно, ускорителями космических лучей", - говорит астрофизик Сара Бусон из Университета Юлиуса Максимилиана в Вюрцбурге (Германия).

Нейтрино - странная штука в лучшие времена. Эти субатомные частицы вездесущи и являются одними из самых распространенных во Вселенной.

Однако их масса почти равна нулю, они электрически нейтральны и очень мало взаимодействуют с чем-либо еще во Вселенной. Для нейтрино обычная материя, из которой состоит большая часть Вселенной, может оказаться лишь тенью; именно поэтому их называют частицами-призраками.

Мы довольно хорошо знаем, откуда берутся нейтрино - нормальные нейтрино.

Они образуются в результате радиоактивного распада, который встречается довольно часто. Большинство нейтрино, которые мы обнаруживаем на Земле, являются побочными продуктами ядерных реакций на Солнце, но они также могут быть произведены сверхновыми, искусственными ядерными реакциями или, например, взаимодействием между космическими лучами и атомами.

Но специальная обсерватория в Антарктиде обнаружила несколько действительно странных нейтрино.

Хотя нейтрино мало взаимодействуют с обычной материей, время от времени они это делают. Когда они взаимодействуют с молекулами в атомах воды, они могут вызвать очень маленькую вспышку света. 

Нейтринная обсерватория IceCube имеет детекторы, встроенные глубоко в антарктический лед на южном полюсе, которые могут обнаружить эти вспышки. Эти обнаружения позволяют определить энергию нейтрино.

В 2012 году IceCube обнаружил два нейтрино, которые не были похожи ни на что, что мы когда-либо видели. Их энергия была на уровне петаэлектронвольт (ПЭВ) - в 100 миллионов раз энергичнее, чем нейтрино сверхновых звезд. И эти высокоэнергетические нейтрино пришли из межгалактического пространства, источник неизвестен.

В 2018 году мы получили подсказку относительно этого источника. Поскольку нейтрино не взаимодействуют между собой, они движутся по прямой линии в пространстве, поэтому огромное международное сотрудничество ученых смогло отследить высокоэнергетическое нейтрино до блазара.

Это ядро массивной галактики, питаемое активной сверхмассивной черной дырой, расположенное под таким углом, что струи ионизированной материи, разогнанные почти до световой скорости, направлены прямо на Землю.

"Интересно, что в сообществе астрофизиков существовало общее мнение, что блазары вряд ли могут быть источниками космических лучей, и вот мы здесь", - сказал в то время физик Фрэнсис Халзен из Университета Висконсин-Мэдисон.

Тем не менее, оставались некоторые вопросы о связи между блазарами и высокоэнергетическими нейтрино. Поэтому группа ученых под руководством Бусона сделала то, что делают ученые: они принялись за раскопки.

Они взяли нейтринные данные всего неба за 7 лет с IceCube и кропотливо сравнили их с каталогом из 3561 объекта, которые являются либо подтвержденными блазарами, либо с высокой вероятностью ими являются.

Они провели позиционное перекрестное сопоставление этих каталогов, пытаясь определить, можно ли окончательно связать высокоэнергетические нейтрино с расположением блазаров на небе.

"Имея эти данные, мы должны были доказать, что блазары, чьи направленные позиции совпадают с позициями нейтрино, находятся там не случайно", - пояснил астрофизик Андреа Трамасер из Женевского университета в Швейцарии.

"Бросив кости несколько раз, мы обнаружили, что случайная ассоциация может превышать ассоциацию реальных данных только один раз из миллиона испытаний! Это убедительное доказательство того, что наши ассоциации верны".

Согласно анализу команды, вероятность случайного совпадения составляет 0,0000006. Это позволяет предположить, что по крайней мере некоторые блазары способны производить высокоэнергетические нейтрино, что, в свою очередь, помогает решить другую проблему. Происхождение высокоэнергетических космических лучей - протонов и атомных ядер, проносящихся сквозь пространство со скоростью, близкой к скорости света, - также является большой загадкой.

По мнению Бусона, высокоэнергетические нейтрино образуются исключительно в процессах, связанных с ускорением космических лучей. Это означает, что теперь мы можем связать блазары с ускорением космических лучей, говорит команда.

"Процесс аккреции и вращение черной дыры приводят к образованию релятивистских струй, в которых частицы ускоряются и испускают излучение с энергией в тысячу миллиардов раз превышающей энергию видимого света!" сказал Трамасер.

"Открытие связи между этими объектами и космическими лучами может стать "Розеттским камнем" астрофизики высоких энергий".

Отсюда следует, что есть несколько направлений, которые требуют дальнейшего изучения. Один из них - попытаться выяснить, почему одни блазары являются эффективными ускорителями частиц, а другие - нет. Это поможет команде выяснить, каковы характеристики нейтринной фабрики и где еще в космосе мы можем их найти.

Кроме того, дальнейший, более детальный анализ нейтринных данных может привести к новым открытиям о местах рождения этих необычных, призрачных частиц.

Исследование было опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Letters.