Ученые объясняют происхождение нейтрино высоких энергий, т.е. элементарных частиц, которые достигают нашей планеты из глубин Вселенной, излучением блазаров.
Высокоэнергетические и трудно обнаруживаемые нейтрино преодолевают миллиарды световых лет, прежде чем достигают Земли. Хотя известно, что эти элементарные частицы происходят из глубины Вселенной, их источник остается загадкой. Международная исследовательская группа под руководством Вюрцбургского и Женевского университетов (UNIGE) показала, что нейтрино могут образовываться в блазарах — ядрах галактик, питаемых сверхмассивными черными дырами.
Атмосфера нашей планеты постоянно подвергается бомбардировке космическими лучами. Это сложное излучение, имеющее как корпускулярную, так и электромагнитную части, достигает Земли из космоса. Корпускулярная часть излучения состоит в основном из протонов (90% частиц), альфа-частиц (9%), электронов (около 1%) и нескольких более тяжелых ядер. Излучение, приходящее непосредственно из космоса, называется первичным космическим излучением. Частицы, достигающие Земли в результате реакции первичных космических лучей с ядрами атомов атмосферных газов, являются вторичным излучением.
В космических лучах можно найти частицы с чрезвычайно высокими энергиями, до 10—20 электрон-вольт. Для сравнения, это в миллион раз больше энергии, полученной в самом мощном в мире ускорителе частиц, Большом адронном коллайдере в ЦЕРН недалеко от Женевы. Эти самые энергичные частицы пришли из глубокого космоса и прошли миллиарды световых лет. Откуда они берутся и что дает им такую высокую энергию? Эти вопросы остаются одной из самых больших проблем в астрофизике уже более века.
Нейтрино образуются там, где рождаются звезды. Эти нейтральные частицы очень трудно обнаружить. Они почти не имеют массы и почти не взаимодействуют с веществом. Когда они мчатся по Вселенной, они могут проходить сквозь галактики, планеты и человеческое тело, почти не оставляя следов. Астрофизические нейтрино образуются исключительно в результате процессов, связанных с ускорением частиц, из которых состоят космические лучи, а это означает, что они могут точно определить местонахождение их источников.
Несмотря на огромное количество данных, которые накопили астрофизики, связь нейтрино высоких энергий с составляющими их астрофизическими источниками годами оставалась нерешенной проблемой. Проф. Сара Бусон всегда считала это большой проблемой. В публикации 2017 года в журнале Science Buson она и ее команда предложили блазар TXS 0506 + 056 в качестве потенциального источника нейтрино. Блазары — это активные галактические ядра, питаемые сверхмассивными черными дырами, которые излучают гораздо больше радиации, чем вся их галактика. Эта публикация вызвала бурную научную дискуссию о том, действительно ли существует связь между блазарами и нейтрино высоких энергий.
В июне 2021 года группа проф. Бусон запустила амбициозный исследовательский проект под аббревиатурой MessMapp, который финансируется Европейским исследовательским советом. Этот проект посвящен анализу различных сигналов, так называемых «посланников», которыми могут быть, например, нейтрино. Основная цель этого проекта — пролить свет на происхождение астрофизических нейтрино и, если это подтвердится, показать, что их первоисточником являются блазары.
Андреа Трамасере — один из специалистов по численному моделированию процессов ускорения и механизмов излучения, действующих в релятивистских струях, т. е. истечениях ускоренного вещества, приближающегося к скорости света. Исследователь изучает процессы аккреции и вращения черной дыры, приводящие к образованию релятивистских струй, в которых частицы ускоряются и испускают излучение с энергией до тысяч миллиардов энергии видимого света. Открытие связи между этими объектами и космическими лучами может стать «Розеттским камнем» астрофизики высоких энергий.
В своем исследовании команда использует данные, собранные обсерваторией Neutrino IceCube в Антарктиде, в которой находится самый чувствительный детектор нейтрино, действующий в настоящее время, и данные из каталога блазаров BZCat. Благодаря этим данным исследователи показали, что блазары, положение которых совпадает с положением источников нейтрино, находятся там не случайно, а между ними должна быть связь.
Анимация показывает процесс обнаружения нейтрино высоких энергий в обсерватории IceCube. В этой анимации нейтрино под названием IceCube IC170922 прибывает в Антарктиду с расстояния 4 миллиардов световых лет от Земли. Нейтрино взаимодействует с молекулой льда, образуя вторичную частицу высокой энергии — мюон. Произведенный мюон попадает в IceCube и проходит через детектор, оставляя за собой след синего света, который улавливается датчиками IceCube.
Команда проф. Бьюзен считает, что недавно опубликованное открытие — это верхушка айсберга. Как только исследователи поймут разницу между объектами, испускающими нейтрино, и объектами, которые их не излучают, это поможет им исключить некоторые астрофизические модели и добавить больше кусочков в головоломку физики ускоряющихся космических лучей.
