Учёные, возможно, обнаружили источник самых мощных из когда-либо зарегистрированных нейтрино. Эта частица-рекордсмен, прибывшая к нам из глубокого космоса, способна пролить свет на механизмы работы самых экстремальных ускорителей частиц во Вселенной - сверхмассивных чёрных дыр.
Три года назад глубоко на дне Средиземного моря физики зафиксировали важное событие, связанное с астрономией. Было обнаружено самое энергетически сильное нейтрино за всю историю наблюдений. Энергия частицы составила порядка 220 ПэВ (петаэлектронвольт), что более чем в десять раз превышает показатели ранее обнаруженных высокоэнергетических нейтрино, и очень долгое время исследователи не могли установить точное место его происхождения.
Теперь же, согласно новому исследованию, опубликованномц в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), стало ясно, что источником этого нейтрино могли стать блазары, которые являются одними из самых экстремальных объектов во Вселенной. Блазары представляют собой активные ядра галактик, источником энергии которых служат аккрецирующие сверхмассивные чёрные дыры. Отличительной особенностью блазаров является то, что они испускают мощные релятивистские струи из плазмы (джеты), направленные непосредственно в сторону наблюдателя на Земле.
Поиск источника рекордного нейтрино
Регистрация частицы произошла 13 февраля 2023 года с помощью крупного глубоководного нейтринного телескопа KM3NeT/ARCA, расположенного на дне Ионического моря недалеко от побережья Сицилии. Принцип его работы основан на фиксации слабого Черенковского излучения, возникающего при взаимодействии нейтрино с ядрами атомов в толще воды. Примечательно в этом открытии и то, что нейтринная установка до сих пор находится на стадии строительства. На момент исторического события функционировала лишь 21 линия детектирования с фотоэлектронными умножителями, что составляет около 10 процентов от запланированного объёма обсерватории.
Но даже в такой неполной конфигурации детектор смог зафиксировать сигнал, аналогов которому в астрофизике ещё не встречалось.
Исследователи подошли к решению вопроса о происхождении этой частицы с методичностью криминалистов. Выдвинув первоначальную гипотезу, они разработали компьютерные симуляции и сопоставили полученные теоретические данные с фактическими наблюдениями.
Одна из основных версий заключается в том, что нейтрино было испущено особым классом блазаров, физические условия в которых позволяют ускорять протоны и ядра до экстремально высоких энергий.
"Существует несколько возможных объяснений происхождения этой частицы, - поясняет Мерием Бендаман, научный сотрудник Национального института ядерной физики (INFN) в Неаполе и участница коллаборации KM3NeT, соавтор исследования, объединившего сотни специалистов. - Например, ранее предполагалось, что подобные нейтрино могут рождаться при взаимодействии космических лучей ультравысоких энергий с реликтовым излучением или микроволновым фоном, сохранившимся со времён ранней Вселенной. Однако существует и вероятность того, что данное нейтрино является частью диффузного потока, генерируемого целой популяцией экстремальных космических ускорителей, таких как блазары".
Почему блазары стали главными кандидатами
При изучении высокоэнергетических событий учёные, как правило, ищут так называемый электромагнитный аналог, то есть сопутствующий сигнал в виде радиоволн, оптического света, рентгеновского или гамма-излучения, исходящий из того же участка неба и в то же время, когда было зарегистрировано нейтрино.
Однако в данном случае никаких совпадающих сигналов в электромагнитном спектре обнаружено не было.
"Это не позволяет полностью исключить гипотезу о точечном источнике, - отмечает Бендаман, - но заставляет нас рассматривать вариант, при котором это нейтрино прибыло из диффузного фона, то есть из общего потока нейтрино, складывающегося из излучения множества независимых источников".
Это предположение привело исследователей к идее, что частица могла быть порождена не одиночным масштабным катаклизмом, а путём постоянного перерождения обширной популяцией блазаров.
Для проверки гипотезы команда применила программный комплекс, предназначенный для моделирования реалистичных популяций блазаров. Большинство параметров в симуляциях опирались на физические величины, уже измеренные в ходе предыдущих наблюдений, включая напряженность магнитных полей и пространственные размеры областей излучения вблизи чёрных дыр.
В процессе моделирования исследователи варьировали два ключевых параметра. Первым стала барионная нагрузка - величина, показывающая соотношение энергии, переносимой протонами, к энергии электронов в джете. Этот показатель критически важен для оценки количества рождающихся нейтрино, так как они образуются преимущественно в адронных взаимодействиях. Вторым фактором выступил спектральный индекс протонов, определяющий распределение частиц по энергиям и их способность достигать сверхвысоких значений.
Для каждой конфигурации учёные рассчитывали как ожидаемый выход нейтрино, так и сопутствующее гамма-излучение, после чего сравнивали результаты с реальными астрономическими данными.
Сравнение данных с обсерваториями IceCube и "Ферми"
В рамках работы были объединены наблюдательные данные нескольких крупнейших установок, включая KM3NeT/ARCA, антарктическую нейтринную обсерваторию IceCube и космический гамма-телескоп "Ферми".
Важно отметить, что учёные анализировали не только зафиксированные сигналы, но и нулевые результаты, то есть отсутствие наблюдений.
Например, ни один другой нейтринный детектор, включая мощный IceCube, не регистрировал подобных событий со сверхвысокими энергиями. Это указывает на то, что частицы с энергией порядка 220 ПэВ являются исключительной редкостью. Следовательно, любая предлагаемая теоретическая модель должна объяснять не только появление данной частицы, но и дефицит аналогичных сигналов в других экспериментах.
Модель популяции блазаров успешно удовлетворила этому строгому статистическому ограничению.
Команда также проверила, не приведёт ли существование предполагаемой популяции блазаров к избыточному производству гамма-квантов, которое превысило бы известный уровень внегалактического гамма-фона, измеренного телескопом "Ферми". Расчёты показали полное соответствие существующим наблюдениям.
В результате исследователи пришли к выводу, что реалистичная модель популяции блазаров способна правдоподобно объяснить это экстраординарное нейтринное событие.
"Мы смоделировали физически обоснованную популяцию блазаров и установили, что она способна объяснить происхождение этого нейтрино сверхвысоких энергий, при этом полностью согласуясь с существующими жесткими ограничениями по гамма-излучению и другим нейтринным наблюдениям", - утверждает Бендаман.
KM3NeT может выявить еще больше экстремальных космических явлений
Физики подчеркивают, что для окончательного подтверждения блазарной гипотезы потребуется собрать больше эмпирических данных.
"Нам необходима дополнительная статистика, - объясняет Бендаман. - Телескоп KM3NeT всё ещё находится в стадии строительства, и мы зафиксировали это нейтрино с помощью лишь частичной конфигурацией установки. Когда детектор будет достроен полностью, объём собираемых данных позволит нам применять более мощные статистические методы анализа и откроет новое окно в изучение Вселенной через нейтрино сверхвысоких энергий".
Если дальнейшие наблюдения подтвердят выдвинутую теорию, эти результаты могут фундаментально изменить научное понимание физики блазаров и пределов мощности таких космических объектов.
"Ранее мы никогда не фиксировали нейтрино столь высокой энергии, и если подтвердится, что его источником выступают космические ускорители вроде блазаров, - резюмирует Бендаман, - это даст нам принципиально новые знания о способности данных объектов излучать частицы с энергиями, выходящими далеко за рамки наших прежних теоретических ожиданий".