Международная команда ученых впервые обнаружила источник нейтрино высоких энергий, который оказался блазаром TXS 0506+056. Этот объект представляет собой мощный переменный источник гамма-излучения, связанный со сверхмассивной черной дырой. «Лента.ру» рассказывает об исследовании, результаты которого были опубликованы в журнале Science.
Нейтрино известны многим, даже далеким от науки людям, как фундаментальные частицы, которые почти не взаимодействуют с веществом. Они легко проходят сквозь Землю, изредка сталкиваясь с атомами мантии или земной коры. Однако при этом их очень много. Подсчитано, что через тело человека каждую секунду проходят триллионы нейтрино, рожденных на Солнце, не принося ему никакого вреда. И до сих пор единственными известными источниками внеземных нейтрино являлась наша родная звезда и сверхновая 1987A, которая находится на расстоянии 168 тысяч световых лет от Земли.
Однако нейтринные детекторы регистрируют не только обычные нейтрино, но и высокоэнергетические, происхождение которых объяснялось лишь теоретически. Так, ученые предполагали, что эти неуловимые частицы, энергия которых в миллионы раз превышает энергию солнечных нейтрино, могут возникать в гигантских «космических ускорителях» — активных галактических ядрах. В последних находятся сверхмассивные черные дыры, пожирающие огромные объемы вещества и порождающие струи плазмы (джеты), которые двигаются с околосветовой скоростью (95-99 процентов от скорости света). Джеты, состоящие из протонов и ядер атомов, взаимодействуют с электромагнитными полями и веществом и создают пионы. Последние являются короткоживущими частицами и распадаются на фотоны и нейтрино.
Одной из разновидностей галактик с активными ядрами являются блазары, одна из главных характеристик которых — джет, направленый близко к лучу зрения наблюдателя. Струя плазмы испытывает на себе влияние феномена, называемого релятивистским эффектом свечения. Он заключается в том, что яркость света, излучаемого джетом, зависит от того, направлен ли тот в сторону Земли или от нее. Таким образом, от расположения джета зависит поток фотонов и нейтрино, падающих от источника на нашу планету. В случае блазаров количество нейтрино должно быть высоким, однако до сих пор не удавалось связать регистрируемые высокоэнергетические нейтрино с известными активными галактическими ядрами.
Причиной этого является тот факт, что фотоны высоких энергий от блазаров успешно поглощаются галактическим веществом или внегалактической средой. Однако, если обнаружить совпадения между наблюдениями вспышек в блазарах в широком диапазоне спектра и регистрациями нейтрино, то можно установить наиболее вероятный источник последних. Для этого необходимо задействовать сразу многие научные инструменты.
Одним из таких инструментов является крупнейшая в мире нейтринная обсерватория IceCube, построенная на антарктической станции Амундсен-Скотт. Ее оптические детекторы (фотоумножители), расположенные в толще льда, нанизаны на стержни, которые уходят на глубину до 2,5 километра. IceCube имеет 5160 фотоумножителей, которые регистрируют черенковское излучение, возникающее при прохождении мюонов через лед снизу вверх. Эти мюоны образуются при столкновении нейтрино, приходящих с другой стороны Земли, с электронами и ядрами атомов льда. Детекторы разработаны таким образом, чтобы они не «видели» нейтрино, которые образуются в атмосфере над Антарктидой и, таким образом, создают нежелательный «шум».
IceCube обладает системой предупреждения в реальном времени, которая позволяет незамедлительно рассылать астрономам по всему миру оповещения о регистрации частиц-кандидатов и направлении, в котором они прилетели. Программа начала работать в 2016 году, и с тех пор было сделано около 10 оповещений.
22 сентября 2017 года ученые зафиксировали мюонную дорожку, созданную нейтрино IceCube-170922A, чья энергия была оценена в 290 тераэлектронвольт (ТэВ). Космическая гамма-обсерватория Fermi Gamma-ray Space Telescope и комплекс наземных телескопов MAGIC установили направление, в котором пришла частица. Оказалось, что нейтрино прилетел из точки, примерно совпадающей с расположением блазара TXS 0506+056, удаленного от Земли на четыре миллиарда световых лет. Другой нейтринный телескоп — ANTARES — не обнаружил нейтрино, которые могли быть связаны с TXS 0506+056, однако это объясняется тем, что его чувствительность для данного направления ниже, чем у IceCube.
Как пишут ученые, земное происхождение 170922A все же нельзя исключить полностью, несмотря на то, что нейтрино, образующиеся при столкновении космических лучей с атмосферой, обладают энергиями преимущественно ниже 100 ТэВ.
В то же время блазар TXS 0506+056 находился на пике своей активности. Он относится к типу лацертидов, для которых типичны быстрые (за несколько дней) и значительные изменения в яркости в очень широком диапазоне спектра. Космический гамма-телескоп AGILE подтвердил, что с 10 по 23 сентября 2017 года наблюдался высокий уровень эмиссии гамма-лучей, чья энергия превышала 0,1 гигаэлектронвольт (ГэВ). Кроме того, за объектом наблюдали также черенковские телескопы MAGIC на острове Ла-Пальма, H.E.S.S. в Намибии и VERITAS в США, которые подтвердили вспышку гамма-излучения. Многие другие телескопы наблюдали повышение активности блазара в радиодиапазоне, оптических и рентгеновских лучах.
В целом, ученые получили результаты с уровнем статистической значимости в три сигма, что указывает на существование связи между высокоэнергетическим нейтрино и вспышкой блазара. По словам исследователей, это является значительным достижением для многоканальной астрономии (англ. multimessenger astronomy), которая основана на скоординированных наблюдениях астрономических объектов с помощью различных инструментов по всему миру.