Астрономы предложили возможный источник самого мощного нейтрино в истории наблюдений — частицы с энергией 220 петаэлектронвольт, которую зафиксировали с помощью подводного телескопа KM3NeT в Средиземном море. Если ученые правы, их открытие поможет понять, где во Вселенной рождаются частицы экстремальных энергий и как работают одни из самых ярких объектов космоса — блазары.
Нейтрино называют «призрачными» частицами: они почти не взаимодействуют с веществом и могут пролетать сквозь целые планеты. Именно по этой причине обнаружить их столь трудно. При этом они очень ценны для астрономов, поскольку способны донести информацию из самых недоступных уголков Вселенной.
В феврале 2020 года детектор KM3NeT/ARCA зарегистрировал рекордное событие KM3-230213A. Энергия этой частицы оказалась настолько огромной, что ученые сразу начали поиски возможных источников. Среди кандидатов рассматривали космические лучи сверхвысоких энергий, а также неизвестные экстремальные объекты Млечного Пути. Однако ни одно объяснение не выглядело полностью убедительным.
Новый сценарий предложила международная исследовательская группа под руководством Оскара Адриани (Oscar Adriani) из Университета Флоренции (Италия). По мнению ученых, «призрачное» нейтрино могло прийти от блазаров — активных ядер галактик, в которых сверхмассивная черная дыра выбрасывает джеты почти с околосветовой скоростью.
Если одна из таких струй направлена в сторону Земли, объект становится чрезвычайно ярким и заметным. Ранее ученые уже находили косвенные признаки того, что блазары способны производить нейтрино высоких энергий. Например, в 2018 году обсерватория IceCube помогла связать одно нейтринное событие с блазаром TXS 0506+056. Энергии нового события, однако, оказались много выше.
Вместо того чтобы привязать сигнал к одному конкретному блазару, авторы новой научной работы смоделировали вклад целой популяции таких объектов. Для расчетов задействовали программу Astro-Multi-messenger Modeling, которая описывает процессы внутри релятивистских джетов — струй вещества, вырывающихся из окрестностей черной дыры. В модели также учли столкновения протонов с фотонами, рождение пионов, распад которых приводит к появлению гамма-квантов и нейтрино, а также другие процессы астрофизики высоких энергий.
Подобрав параметры так, чтобы модель одновременно объясняла появление сверхмощного нейтрино и не противоречила наблюдениям других телескопов, исследователи обнаружили, что популяция блазаров действительно может создавать поток нейтрино нужной энергии.
Наиболее вероятным оказался сценарий, при котором внутри джетов протоны ускоряются с очень жестким спектром энергий. В то же время энергия, запасенная в них, примерно в 10 раз превышает энергию электронов. Примечательно, что модель остается совместимой с уже известным фоновым гамма-излучением Вселенной.
В таком сценарии блазары практически не вносят вклад в поток нейтрино меньших энергий, которые регулярно регистрирует IceCube. Это может означать, что разные диапазоны энергий во Вселенной создаются разными типами космических ускорителей.
Адриани и коллеги отметили, что выводы пока основаны на одном экстремальном событии, поэтому статистическая неопределенность высока. Однако даже одиночная регистрация частицы такой энергии заставляет пересматривать представления о возможностях астрофизических объектов.
По мере расширения сети KM3NeT и накопления новых данных ученые смогут проверить, действительно ли блазары — фабрики самых энергичных нейтрино во Вселенной. Результаты научной работы опубликованы в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.