Маленькие красные точки могут объяснять до трети нейтринного фона

Наш мир буквально пронизан нейтрино — трудно уловимыми частицами, не имеющими электрического заряда и обладающими близкой к нулю массой. Регистрировать их чрезвычайно сложно — монструозные детекторы вроде IceCube делают это по косвенным признакам. Как правило, в случае обнаружения нейтрино в том месте, откуда оно прилетело, можно найти источник, но большая часть частиц представляет собой диффузный фон, поступающий со всех сторон, происхождение которого остаётся неясным.

Японские астрофизики предложили новое объяснение этому феномену. Согласно их исследованию, опубликованному в журнале Physical Review D, на маленькие красные точки — небольшие галактики в ранней Вселенной — может приходиться до тридцати процентов диффузного фона нейтрино.

Порождать высокоэнергетические нейтрино могут, например, блазары, которые выдают себя гамма-излучением. Однако если бы все источники нейтринного фона испускали гамма-лучи, общий гамма-фон был бы выше. Таким образом, наиболее перспективные кандидаты на роль генераторов этих нейтрино должны быть «скрытыми» объектами, из которых гамма-лучи не могут легко вырваться наружу.

По мнению авторов нового исследования, на эту роль хорошо подходят маленькие красные точки. У них почти нет признаков джетов — мощных струй вещества, выбрасываемых из окрестностей чёрных дыр, — хотя чёрные дыры там наверняка присутствуют. Возможно, эти струи не могут пробиться через плотные газовые оболочки, окружающие галактики. Описанная в статье модель такова: струи всё же существуют, но не могут выйти за пределы «кокона» из плотного газа. Разогнанные ими до субсветовых скоростей протоны сталкиваются с фотонами аккреционного диска и образуют нейтрино в так называемом фотопионном процессе.

В центре маленькой красной точки, согласно этой модели, находится чёрная дыра, окружённая плотной газовой оболочкой. В таких условиях фотоны, генерируемые вблизи центра, поглощаются и рассеиваются газом, а нейтрино способны покидать оболочку, не вступая во взаимодействие с окружающей средой. С учётом повсеместности таких объектов их совокупный вклад может объяснять значительную часть высокоэнергетических нейтрино, регистрируемых на Земле.

Первый автор работы Кузе Рику объясняет, что в предложенном сценарии вокруг центральной чёрной дыры в такой маленькой красной точке ожидается обилие фотонов и плотного газа, что позволяет подобным столкновениям происходить с высокой эффективностью. Руководствуясь этой идеей, исследователи с помощью аналитических оценок, основанных на типичной светимости и пространственной плотности таких объектов, вычислили, какой вклад маленькие красные точки могут внести в повсеместный высокоэнергетический нейтринный фон. Кроме того, они выполнили сложные численные расчёты, моделируя ускорение частиц, рождение вторичных частиц и их охлаждение, чтобы восстановить ожидаемый спектр нейтрино.

По этим оценкам, если принять, что в каждой маленькой красной точке есть сверхмассивная чёрная дыра, испускающая струи, все вместе они могут производить до десяти-тридцати процентов диффузного фона нейтрино в диапазоне энергий от десяти тысяч до ста тысяч гигаэлектронвольт. Кузе подчёркивает, что, хотя непосредственно наблюдать отдельные объекты сложно, их исследование важно, поскольку оно впервые показывает, что маленькие красные точки, учитывая их многочисленность, могут объяснять часть наблюдаемых высокоэнергетических нейтрино.

В зависимости от условий рождения нейтрино бывают трёх разновидностей — электронные, мюонные и тау-нейтрино. Сравнение их соотношений может подтвердить или опровергнуть гипотезу японских учёных. Однако для этого требуются новые детекторы и годы наблюдений. Тем не менее, предложенная модель открывает новое направление в поиске источников загадочных частиц, пронизывающих Вселенную.