Астрономи вперше знайшли джерело нейтрино надвисоких енергій — ним виявився блазар

Астрономи вперше змогли ідентифікувати джерело космічних нейтрино високих енергій, зафіксованих обсерваторією IceCube кілька років тому. Учені зробили висновок, що частинки з енергіями в сотні разів, більше, ніж у протонів у Великому адронному колайдері, породив блазар — активне ядро ​​галактики, світло від якої йшов до Землі кілька мільярдів років. Цей результат означає новий етап розвитку багатоканальної астрономії та підтверджує ідею, що блазари — джерела космічних променів високих енергій.

Статті (1, 2) про це опублікували в Science.

Одне з найважливіших завдань в справі вивчення космічних променів — реєстрація астрофізичних нейтрино високих енергій. Передбачається, що ці частинки народжуються унаслідок розпаду мезонів, що утворюються в космічних «прискорювачах» або поблизу них, коли космічні промені взаємодіють з атомними ядрами та фотонами.

Завдяки тому, що нейтрино дуже легкі, не мають заряду та взаємодіють з речовиною тільки на дуже малих, субатомних відстанях, вчені отримують можливість з енергетичного спектра зареєстрованих частинок і у напрямку їхнього прильоту визначити, які процеси відбуваються в тому чи іншому далекому астрофізичному об’єкті.

Раніше астрономи знали про існування двох точно ідентифікованих джерел астрофізичних нейтрино: Сонце і наднова 1987А, що спалахнула в сусідній з нами галактиці Велика Магелланова Хмара. Однак зареєстровані від них нейтрино мають енергії в мільйони разів нижче, ніж спостережуваний дифузний потік нейтрино високих енергій, тому природа механізмів генерації космічних нейтрино високих енергій і пошуку їх джерел і раніше залишається відкритим. Пошук ускладнюють необхідність створення великих детекторів, і невеликий обсяг набраної на поточний момент статистики за даними.

Один з існуючих і результативних детекторів нейтрино — обсерваторія IceCube, що розташована в Антарктиді. Система має обсяг в один кубічний кілометр (звідси й назва) і складається з 5000 оптичних датчиків, які розташовані на 86 вертикальних «нитках» на відстані 125 метрів один від одного і залягають на глибинах від 1450 до 2450 метрів в товщі льоду.

Керівний центр детектора нейтрино IceCube Фото: Felipe Pedreros, IceCube/NSF

Унаслідок взаємодії нейтрино з льодом і шаром ґрунту утворюються мюони, під час руху яких виникає черенківське випромінювання, яке реєструють датчики, що дозволяє оцінити енергію нейтрино і напрямок руху частинок. Раніше обсерваторія повідомляла про впевнену реєстрацію потоку астрофізичних нейтрино, а в минулому році змогла вперше «зловити» відразу три нейтрино.

22 вересня 2017 року 20-54 за Гринвічем автоматична система детектора зареєструвала подію IceCube-170922A, яке являє собою мюонову «доріжку», що утворилася в ході взаємодії нейтрино високих енергій з льодом. Повідомлення про реєстрацію розіслали іншим спостерігачам, зокрема й нейтрино телескопу ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch), який, однак, нічого не зареєстрував протягом одного дня від моменту реєстрації події та перед ним.

28 вересня 2017 роки команда космічної гамма-обсерваторії «Фермі» повідомила, що певний напрям прильоту зареєстрованих нейтрино з середньою енергією 290 ТеВ відповідав відомому джерелв гамма-променів в стані підвищеної активності.

Це блазар TXS 0506 + 056, який є активною галактикою, що розташована недалеко від лівого плеча сузір’я Оріона. Світло від джерела добиралося до Землі чотири мільярди років.

Надалі спалах гамма-випромінювання з цього джерела підтвердила низка наземних черенківські телескопів, зокрема MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope) і система HESS (High-Energy Stereoscopic System).

У сукупності ці спостереження забезпечують досить повну та одночасну картину реєстрації частинок і випромінювання від блазарів в діапазоні енергій від 0,3 кілоелектронвольта до 400 гігаелектронвольтів.

Аналіз архівних даних детектора IceCube дозволив виявити більше десятка подій реєстрації астрофізичних нейтрино з початку листопада 2014 роки від цього ж джерела з великою достовірністю.

Астрономи зазначають, що це визначне досягнення для багатоканальної астрономії (Multi-Messenger Astronomy, MMA) — галузі науки, яка зародилася в минулому році при одночасній реєстрації гравітаційних хвиль і спалаху Килонова від злиття нейтронних зірок. Подібні спостереження за астрофізичними об’єктами та процесами проводяться одночасно на різних телескопах дозволяють отримати більш повну картину того, що відбувається і перевірити існуючі теорії.

Космічні промені привертають увагу вчених вже щонайменше 100 років. Вони являють собою ядра атомів і елементарні частинки, які рухаються в космічному просторі та мають найвищі енергії, які спостерігаються в природі. Енергія деяких частинок набагато перевищує ту, якої можна досягти за допомогою сучасних прискорювачів — вона варіюється від 109 до 1020 МеВ(мегаелектронвольтів). Склад і розподіл часток за енергіями може надати багато інформації про будову Всесвіту.

Раніше вже з’являлися повідомлення про те, що космічні промені надвисоких енергій мають позагалактичну природу, проте точні джерела встановити не вдавалося. Передбачалося, що ними можуть бути вибухи наднових, джерела гамма-сплесків або активні галактичні ядра, що містять надмасивні чорні діри.

Раніше NASA опублікувало «розмову» Сатурна з його супутником Енцеладом.