Редкое обнаружение высокоэнергетического нейтрино намекает на то, как создаются эти странные частицы.
Четыре миллиарда лет назад огромная галактика с черной дырой в своем сердце извергала струйку частиц со скоростью света. Одна из этих частиц, нейтрино, которая является лишь частью размера обычного атома, пересекала вселенную на курсе столкновений на Земле, наконец, ударив по ледниковому лесу Антарктиды в сентябре прошлого года. По совпадению, нейтринный детектор, установленный учеными на льду, зафиксировал заряженное взаимодействие нейтрино со льдом, в результате чего синяя вспышка света продолжалась всего лишь мгновение. Результаты опубликованы сегодня в журнале Science.
Это обнаружение отмечает второй раз в истории, что ученые определили происхождение нейтрино из-за пределов нашей солнечной системы. И в первый раз они подтвердили, что нейтрино создаются в сверхмассивных черных дырах в центрах галактик - несколько неожиданный источник.
Нейтрино - высокоэнергетические частицы, которые редко когда-либо взаимодействуют с материей, проходя через нее, как будто ее даже не было. Определение типа космологических событий, создающих эти частицы, имеет решающее значение для понимания природы Вселенной. Но единственным подтвержденным источником нейтрино, кроме нашего Солнца, является сверхновая, зарегистрированная в 1987 году.
Физики имеют ряд теорий о том, какие астрономические события могут создавать нейтрино, а некоторые предполагают, что блазары могут быть источником. Блазары - это массивные галактики с черными дырами в их центре, пытаясь сосать слишком много материи сразу, заставляя струи частиц выбрасываться наружу с невероятной скоростью. Считается, что, действуя подобно гигантским аналогам для ускорителей наземных частиц, струны блазара создают космические лучи, которые, в свою очередь, могут создавать нейтрино.
Космический посланник
22 сентября 2017 года нейтрино дошло до ледникового щита Антарктиды, пролетая кристаллом льда под прямым углом, чтобы создать из этого взаимодействия субатомную частицу (называемую мюоном). Полученная синяя вспышка была записана одним из 5160 детекторов IceCube, встроенных в лед. Грант находился в офисе, когда произошло обнаружение. Это нейтрино было примерно в 300 миллионов раз более энергичным, чем те, которые испускаются Солнцем.
Грант и его коллега ненадолго восхищались превосходным изображением траектории мюона, которое обеспечивает основную информацию, необходимую для начала отслеживания происхождения нейтрино. Однако они еще не были слишком возбуждены. Его команда наблюдает от 10 до 20 высокоэнергетических нейтрино каждый год, но правильная комбинация событий - в пространстве, времени и энергии, например, - требуется для точного определения источника нейтрино. До сих пор такое выравнивание ускользало от ученых. В то время как команда Гранта начала свой анализ, они начали сужаться в регионе: исключительно яркий блазар под названием TXS 0506 + 056.
После обнаружения автоматическое оповещение было отправлено другим астрономическим командам по всему миру, которые контролируют различные входящие космические сигналы, такие как радио и гамма-лучи. Несколько дней спустя группа ученых, использующих телескоп MAGIC на Канарских островах, ответила некоторыми интересными новостями: приход нейтрино совпал с всплеском гамма-лучей, которые являются чрезвычайно энергичными фотонами, также поступающими со стороны TXS 0506 +056.
Другие команды, анализирующие регион после первоначального обнаружения, наблюдали изменения в рентгеновских излучениях и радиосигналах. В совокупности данные являются огромным шагом вперед для физиков в понимании блазар и космологических событий высокой энергии в целом.
Джон узнал о Гавайском университете, Маноа, который не участвовал в исследовании, говорит, что данные, связывающие блазар как источник, «в подавляющем большинстве убедительно», и он подчеркивает важность этого вывода. «Это осознание многих давних научных мечтаний. Нейтрино при высоких энергиях могут рассказать нам о мучениях этих чрезвычайно светящихся объектов ... Последствия находки заключаются в том, что мы теперь наконец ... [способны] видеть внутри самых плотных и светящихся объектов, а также для дальнейшего понимания «deus» ex machina ", которая их управляет и обеспечивает эти удивительные явления".
Например, это обнаружение также дает первые доказательства того, что блазар может создавать протоны с высокой энергией, необходимые для генерации нейтрино, таких как одна пила IceCube. Источники высокоэнергетических протонов также остаются в значительной степени загадкой, поэтому идентификация одного из таких источников - еще один большой шаг вперед для астрономов. «Это действительно убедительно, что мы разблокировали один кусочек этой загадки, - говорит Грант.
Драгоценные камни прошлого
И это становится еще лучше. «Мы оглянулись на [архивные] данные [которые были собраны с 2010 года] в направлении этого конкретного источника blazar, и то, что мы обнаружили, было действительно замечательным», - говорит Грант. В конце 2014 года и в начале 2015 года на Землю достигло заграждение высокоэнергетических нейтрино и гамма-лучей от TXS 0506 + 056. В то время система предупреждения о сиюминутной тревоге IceCube не была полностью работоспособна, поэтому другие научные команды не знали об обнаружении. Но теперь эти предыдущие нейтрино находятся на радарах ученых, обеспечивая более длительный взгляд на жизнь блазара.
«Это было действительно обледенением на торте, потому что в [архивированных данных] было, что источник был активен в нейтрино в прошлом, а затем снова с этим очень высокоэнергетическим нейтрино в сентябре - это те части, которые действительно начните собираться вместе, чтобы составить картину того, что там происходит », - объясняет Грант.
Данные также показывают, что радиоизлучения от TXS 0506 + 056 постепенно увеличивались в течение 18 месяцев, вплоть до сентябрьского обнаружения нейтрино. Грег Сиваков, адъюнкт-профессор Университета Альберты, который помог проанализировать данные, говорит, что одна из возможностей заключается в том, что черная дыра стала быстрее потреблять окружающую среду в течение этого времени, заставляя струйку частиц испускать ускорение. Он говорит: «Если струя будет слишком быстро слишком быстро, она может столкнуться с некоторыми из ее собственных материалов, создавая то, что астрономы называют шоком. В астрономии давно используются шоки, чтобы объяснить, как частицы ускоряются до высоких энергий. Мы не уверены, что это ответ, но это может быть частью истории ».
Ученые продолжают следить за TXS 0506 + 056, надеясь узнать больше об этом колоссальном событии. Одна команда провела подробный анализ, чтобы определить, как далеко от нас блазар, пораженный, обнаружив, что это колоссальные четыре миллиарда световых лет. Хотя TXS 0506 + 056 всегда считался ярким объектом в небе, эта яркость на таком расстоянии делает его одним из самых ярких объектов во Вселенной. Без сомнения, будущие исследования этого мощного блазара дадут ценную информацию о самых энергичных событиях, которые происходят в нашей вселенной.
Ученый говорит: «Мы только открываем новую дверь, и я с удовольствием могу сказать, что мы найдем за ее пределами. Но я гарантирую, что инициирование этого нового средства наблюдения за Вселенной принесет сюрпризы и новые идеи. В крайнем аналогии это как просить Галилея, что откроет его новый астрономический телескоп ».
