Ученые из России выяснили, откуда берутся нейтрино сверхвысоких энергий. Это оставалось загадкой долгие годы.
Быстрые и почти неуловимые
Нейтрино — это чрезвычайно легкие частицы без электрического заряда. Они так редко взаимодействуют с веществом, что с легкостью прошивают насквозь Землю и нас самих, не причиняя вреда. Очень редко нейтрино врезается в атомное ядро и вызывает рождение других частиц. Астрономы используют это явление, чтобы изучать поток космических нейтрино.
Нейтрино рождаются во многих процессах. Это, например, термоядерные реакции в недрах звезд и взрывы сверхновых. Но до сих пор никто не знал, откуда берутся космические нейтрино сверхвысоких энергий: от 200 тераэлектронвольт (ТэВ).
Их источником могут быть только протоны, разогнанные почти до световой скорости. Но здесь-то и кроется загвоздка.
Астрофизикам не привыкать к частицам, движущимся на субсветовых скоростях. Но обычно они имеют дело с электронами. А протон тяжелее электрона почти в две тысячи раз, разогнать его отнюдь не просто. Получается, что где-то в космосе работают ускорители, рядом с которыми Большой адронный коллайдер выглядит детской игрушкой. Но какие небесные тела способны на подобное?
Теперь российские ученые знают ответ: как минимум часть загадочных нейтрино высоких энергий рождается вблизи сверхмассивных черных дыр. И не всех подряд, а тех, которые особенно активно поглощают окружающие их вещество.
Сияние у края бездны
В центре (ядре) любой галактики есть сверхмассивная черная дыра — массой от сотен тысяч до десятков миллиардов солнц. Сами черные дыры, как им и положено, ничего не излучают. Но они окружены дисками постепенно падающего на них вещества. В процессе падения на черную дыру и ускорения рядом с ней часть вещества испускает свет, радиоволны и электромагнитное излучение других видов.
Есть галактики, в которых на черную дыру падает особенно плотный поток вещества. Как следствие, и излучение из окрестностей таких хищниц намного сильнее, чем из центров обычных галактик, вроде нашей. В таких случаях астрономы говорят об активном ядре галактики, АЯГ.
В сердце АЯГ, в облаке раскаленного вещества, падающего на черную дыру, происходят бурные и еще не до конца изученные процессы. Может быть, и нейтрино сверхвысоких энергий рождаются именно здесь?
Специалисты давно предполагали это. В конце концов, если вам нужно много энергии, трудно найти что-то лучше АЯГ, самых мощных источников излучения во Вселенной.
«Теперь мы получили ответ на вопрос о происхождении нейтрино: это активные ядра галактик ускоряют протоны так, что в результате рождаются нейтрино сверхвысоких энергий»,— говорит соавтор исследования Юрий Ковалев, сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и Московского физико-технического института.
Поймать нейтрино в координатную сеть
Авторы нового исследования стремились проверить гипотезу, что таинственные нейтрино рождаются в активных ядрах галактик. Основная идея такой проверки проста. Кто из футболистов забил гол? Скорее всего, тот, кто находится в направлении, с которого прилетел мяч. Значит, нужно узнать, из какой точки неба пришли частицы, и посмотреть, нет ли там АЯГ.
Ученые обратились к архивам нейтринной обсерватории IceCube за 2009–2019 годы. Они отбирали только надежно зарегистрированные частицы, энергия которых превышала 200 ТэВ, а координаты источника были известны с погрешностью менее десяти квадратных градусов. Таких нейтрино нашлось 56.
Так авторы определили, откуда прилетел мяч. Осталось выяснить, есть ли в этих точках неба футболисты, то есть активные галактические ядра.
Как работают нейтринные телескопы
В этом исследовании ученые опирались на данные установки IceCube. Это кубический километр антарктического льда, пронизанный детекторами. Когда нейтрино сталкивается с протоном атомного ядра, испускается заряженная частица мюон. Двигаясь сквозь лед, мюон излучает фотоны. Приборы улавливают этот свет, оповещая наблюдателей, что частица обнаружена. По характеру свечения можно определить энергию нейтрино и направление, с которого прибыл этот космический гость.
IceCube не единственная подобная система. На Байкале работает российский телескоп Baikal-GVD, вместо льда он использует чистую воду озера. А в Средиземном море строится европейский инструмент KM3NeT.
В общем-то, АЯГ на небе так много, что все поле заполнено футболистами. Но, может быть, такие редкие птицы, как нейтрино сверхвысоких энергий, приходят от самых ярких из них?
К счастью, подобные объекты давно изучаются, и их координаты определены с большой точностью. В этом астрономам помогают радиотелескопы. Международные сети таких установок, работая как единое целое, способны выделить самое сердце далекой галактики: область размером в считанные световые годы, где и находится черная дыра.
Исследователи сравнили координаты источников нейтрино с местоположением многочисленных известных АЯГ. И оказалось, что 26 из 56 отобранных частиц пришли именно оттуда, где расположены самые яркие (в радиодиапазоне) объекты. Вероятность того, что это случайное совпадение, можно практически сбросить со счетов: 0,2%.
Вспышки, осветившие истину
Но это еще не все доказательства. Раз уж извержения нейтрино сверхвысоких энергий из АЯГ происходят так редко, естественно предположить, что именно в эти моменты с небесным телом происходит нечто из ряда вон выходящее. Не оставили ли эти чрезвычайные происшествия следов в архивах астрономических наблюдений?
В поисках ответа авторы обратились к архивам российского радиотелескопа РАТАН-600 в Карачаево-Черкесии. И обнаружили, что 14 событий, отобранных по данным нейтринной обсерватории IceCube, совпадают по времени с радиовспышками, зафиксированными кавказским инструментом. (Нейтрино сверхвысоких энергий мчатся сквозь космос практически со скоростью света и радиоволн.) И вспышки произошли именно в АЯГ, расположенных в нужных точках неба. Сомнений не осталось: нейтрино сверхвысоких энергий рождаются в активных ядрах галактик (хотя, возможно, и не только в них).
Непроторенный путь к открытию
Многие научные группы и раньше проверяли гипотезу, что загадочные энергичные нейтрино рождаются в АЯГ. Но большинство исследователей считало, что они рождаются вместе с энергичными гамма-лучами. Поэтому источники таинственных частиц искали не среди всех АЯГ, а лишь среди наиболее ярких в гамма-диапазоне.
Российские астрономы взглянули на вещи шире. Они выбирали потенциальные источники нейтрино, не оглядываясь на их яркость в гамма-лучах. И оказались правы. Выяснилось, что галактические ядра, испустившие эти сверхэнергичные нейтрино, совсем не похожи друг на друга в гамма-диапазоне: их яркость порой различается в сотни раз.
Заглянуть галактике в сердце
В науке каждая разгаданная загадка порождает десять новых. Вот и сейчас перед астрономами встали интереснейшие вопросы.
Например, предстоит выяснить, в каком именно регионе АЯГ рождаются нейтрино. Возможно, они появляются в непосредственной близости к черной дыре. А может, образуются значительно дальше, там, где начинаются джеты. Джеты — это струи вещества, которые на субсветовых скоростях выбрасываются из окрестностей черной дыры.
«Как именно квазары ускоряют протоны практически до скорости света? Как при этом рождаются нейтрино: из столкновения двух протонов или протона с квантом гамма-излучения? Где это происходит: вблизи черной дыры или у основания джетов? На эти вопросы еще только предстоит получить ответы,— перечисляет Юрий Ковалев.— Нас ожидают интереснейшие годы, полные новых открытий».