Российские астрофизики приблизились к определению происхождения нейтрино высоких энергий из космоса. Команда сравнила данные по неуловимым частицам, собранными Антарктической нейтринной обсерваторией IceCube, и данные по длинным электромагнитным волнам, измеренные радиотелескопами. Оказалось, что космические нейтрино связаны со вспышками в центрах далеких активных галактик, которые, как полагают, содержат сверхмассивные черные дыры. Когда материя падает в сторону черной дыры, некоторая ее часть ускоряется и выбрасывается в космос, что приводит к появлению нейтрино, которые затем движутся по Вселенной почти со скоростью света.
Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal, а также доступно в репозитории arXiv preprint.
Нейтрино - это таинственные частицы, настолько крошечные, что исследователи даже не знают их массы. Они легко проходят сквозь объекты, людей и даже целые планеты. Нейтрино высокой энергии образуются, когда протоны ускоряются почти до скорости света.
Российские астрофизики сосредоточились на происхождении нейтрино сверхвысоких энергий при 200 триллионах электрон-вольт и более. Команда сравнила измерения объекта IceCube, закопанного в антарктическом льду, с большим количеством радионаблюдений. Было обнаружено, что неуловимые частицы возникают во время радиочастотных вспышек в центрах квазаров.
Квазары являются источниками излучения в центрах некоторых галактик. Они состоят из массивной черной дыры, которая поглощает вещество, плавающее в диске вокруг него, и извергает чрезвычайно мощные струи газа.
«Наши результаты показывают, что нейтрино высокой энергий рождаются в активных ядрах галактики, особенно во время радиовспышек. Поскольку и нейтрино, и радиоволны движутся со скоростью света, они достигают Земли одновременно», - сказал первый автор исследования Александр Плавин.
Плавин - доктор из Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (РАН) и Московского физико-технического института. Таким образом, он является одним из немногих молодых исследователей, которые получили результаты такого уровня в начале своей научной карьеры.
Нейтрино происходят там, где никто не ожидал
После анализа около 50 нейтринных событий, обнаруженных IceCube, команда показала, что эти частицы происходят из ярких квазаров, видимых сетью радиотелескопов вокруг планеты. В сети используется самый точный метод наблюдения удаленных объектов в радиодиапазоне: очень длинная базовая интерферометрия. Этот метод, по сути, образует гигантский телескоп из множество отдельных телескопов по всему миру. Одним из крупнейших элементов этой сети является 100-метровый телескоп Макса Планка в Эффельсберге.
Кроме того, команда выдвинула гипотезу, что нейтрино возникли во время радиовспышек. Чтобы проверить эту идею, физики изучили данные российского радиотелескопа РАТАН-600 на Северном Кавказе. Гипотеза оказалась весьма правдоподобной, несмотря на распространенное предположение, что нейтрино высоких энергий должны возникать вместе с гамма-лучами.
«Мы думали, что протестируем нестандартную идею, хотя с небольшой надеждой на успех. Но нам повезло», - говорит Юрий Ковалев из Института Лебедева, МФТИ и Института радиоастрономии им. Макса Планка. «Данные многолетних наблюдений на международных радиотелескопах позволили сделать это очень интересное открытие, и радиодиапазон оказал решающее значение для определения происхождения нейтрино».
«Сначала результаты казались слишком хорошими, чтобы быть правдой, но после тщательного повторного анализа данных мы подтвердили, что нейтринные события были четко связаны с сигналами, полученными радиотелескопами», - добавил Сергей Троицкий из Института ядерных исследований РАН. «Мы проверили эту связь на основе данных многолетних наблюдений телескопа РАТАН Специальной астрофизической обсерватории РАН, и вероятность того, что результаты будут случайными, составляет всего 0,2%. Это довольно успешный результат для нейтринной астрофизики, и наше открытие теперь требует теоретических объяснений».
Команда намерена перепроверить полученные данные и выяснить механизм происхождения нейтрино в квазарах, используя данные Байкальского Нейтринного Телескопа (БНТ), который находится на завершающей стадии строительства и уже частично работает. Так называемые черенковские детекторы, используемые для обнаружения нейтрино, в том числе IceCube и БНТ, используют большую массу воды или льда в качестве средства максимизации числа нейтринных событий, так и предотвращения случайного срабатывания датчиков. Конечно, постоянные наблюдения далеких галактик с помощью радиотелескопов одинаково важны для этой задачи.