Астрономы Университета штата Пенсильвания в США раскрыли загадку происхождения аномальных высокоэнергетических нейтрино, зафиксированных обсерваторией IceCube во льдах Антарктиды. Ученые разработали модель, согласно которой источником этих частиц являются сверхмассивные черные дыры в ядрах активных галактик. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Необычные потоки нейтрино, чья энергия достигала 16 тераэлектронвольт — 2,6 петаэлектронвольт были обнаружены при анализе данных IceCube, собранных с 2010 по 2015 год. Их источником являются отдаленные астрофизические объекты, находящиеся за пределами Млечного Пути. Однако ученые не смогли связать происхождение высокоэнергетических нейтрино с внегалактическими гамма-лучами, что указывает на то, что источники нейтрино являются скрытыми, то есть не посылают гамма-излучение высоких энергий (порядка гигаэлектронвольт или тераэлектронвольт) в космос. С другой стороны, самые известные источники высокоэнергетической радиации — это ядра активных галактик, где находятся сверхмассивные черные дыры.
В новой работе исследователи предложили механизм возникновения высокоэнергетических нейтрино в окрестностях сверхмассивной черной дыры, которая окружена плотным аккреционным диском, препятствующим распространению гамма-лучей. Разработанная астрономами модель основана на наблюдениях за сейфертовскими галактиками (разновидность галактик с активным ядром), для которых хорошо известно распределение энергии излучения по спектру. Эти объекты испускают радиоизлучение и инфракрасное излучение (возникает в облаке газа и пыли, окружающем галактическое ядро), оптический и ультрафиолетовый свет (в аккреционном диске) и рентгеновское излучение (в короне черной дыры).
Согласно модели, в короне черной дыры присутствует плазма, и турбулентность в ней разгоняет протоны до энергий порядка петаэлектронвольт, заставляя их испускать высокоэнергетические нейтрино. Кроме того, этот механизм связан с испусканием гамма-лучей с энергией порядка мегаэлектронвольт, поэтому поиск источников этого типа излучения поможет найти и источники нейтрино. Интерес для будущих наблюдения с помощью нейтринных детекторов представляют ближайшие сейфертовские галактики, например, М 77 в созвездии Кит.
IceCube представляет собой крупнейшую по объему нейтринную обсерваторию в мире. Она состоит из более чем пяти тысяч оптических детекторов (фотоумножителей), установленных по 60 штук в отдельных скважинах, глубина которых достигает 2,5 километра. Фотоумножители регистрируют мюоны, порождаемые мюонными нейтрино, приходящими с северной стороны Земли.