[Перевод] Как детектор IceCube развивает нейтринную астрономию
Нейтрино — это во многом самый сложный для обнаружения вид частиц из известных науке. Нейтрино образуются там, где происходят ядерные реакции или радиоактивные распады, но для того чтобы остановить движущийся нейтрино с вероятностью 50%, необходимо создать свинцовый барьер толщиной примерно в световой год. Хотя нейтрино образуются благодаря различным явлениям — при Большом взрыве, в далёких звёздах, при звёздных катаклизмах и т.д., — подавляющее большинство нейтрино, которые мы видим, поступают всего из трёх источников: радиоактивных распадов, Солнца и ливней космических лучей, образующихся в верхних слоях атмосферы Земли.
Тем не менее, нейтринная обсерватория IceCube, расположенная глубоко подо льдом на Южном полюсе, произвела революцию в нейтринной астрономии. Начиная с 2010 года, она засекает нейтринные взаимодействия внутри более чем одного кубического километра ледникового льда, что позволяет нам обнаруживать нейтрино со всей Вселенной, в том числе из активных галактик, джет которых направлен прямо на нас: блазаров. Теперь, впервые в истории нейтрино, обнаружено 79 избыточных событий от близлежащей активной галактики, закрытой от нас пылью: Мессье 77. Эта галактика, находящаяся на расстоянии всего 47 млн световых лет от нас, стала первой в близлежащей Вселенной, обнаруженной по уникальному нейтринному сигналу, что открывает перед астрономией новые, неизведанные просторы.
Галактика Messier 77 (слева в видимом свете и справа в невидимом диапазоне длин волн) представляет собой странную галактику с двойной спиралью и пыльным активным ядром. Теперь она стала самым близким устойчивым внегалактическим источником нейтрино из когда-либо обнаруженных.
Теоретически во Вселенной существует нечто большее, чем просто наблюдаемый нами свет. Существует целая высокоэнергетическая Вселенная, наполненная астрофизическими объектами — большими и малыми, очень массивными и более скромными, чрезвычайно плотными и более диффузными, — которые могут ускорять материю всех типов до необычайных энергий. Они могут создавать не только высокоэнергетическое излучение, такое как рентгеновское и гамма-излучение, но и частицы и античастицы всех видов: протоны, ядра, электроны, позитроны, а также нестабильные частицы, которым суждено распасться.
Многие ядерные процессы, включая реакции синтеза и деления, а также самые разнообразные распады, в составе своих частиц будут давать нейтрино и антинейтрино. Это чрезвычайно интересно с астрофизической точки зрения, поскольку тот факт, что нейтрино так мало взаимодействуют с обычным веществом, означает, что они могут в значительной степени перемещаться по Вселенной, даже через плотные, богатые веществом среды, практически без остановки. За исключением того, что поток нейтрино рассеивается по мере удаления от источника, нейтрино (и антинейтрино), падающие на Землю, очень похожи на те, которые мы ожидали бы увидеть, если бы на пути не было никакой мешающей материи.
Вероятности осцилляций в вакууме для электронного (чёрный), мюонного (синий) и тау (красный) нейтрино для выбранного набора параметров смешивания, начиная с первоначально произведённого электронного нейтрино. Точное измерение вероятности смешивания на различных длинах базовых линий поможет понять физику, лежащую в основе нейтринных осцилляций, и может выявить существование каких-либо других типов частиц, которые спариваются с тремя известными видами нейтрино. Для того чтобы нейтрино осциллировали, они должны обладать ненулевой массой. Если дополнительные частицы (например, частицы тёмной материи) уносят энергию, то в общем потоке нейтрино будет наблюдаться дефицит.
Материя, через которую проходят нейтрино (и антинейтрино), на самом деле играет только одну важную роль: она может изменить «аромат» нейтрино, который можно наблюдать в детекторе. Существует три различных типа нейтрино, которые мы можем измерить: электронное, мюонное и тау-нейтрино. При первом своём появлении нейтрино имеет такой аромат, который позволит сохранить определённое квантовое число материи — число лептонного семейства.
Однако при движении нейтрино по Вселенной они взаимодействуют с другими квантами, как реальными, так и виртуальными. В результате этих взаимодействий они могут колебаться, переходя из одного вида в другой. Поэтому, когда они попадают в детектор, «аромат» прилетевшего нейтрино может отличаться от того, с которым он появился вначале. Поэтому в идеале нужно строить детекторы нейтрино, чувствительные ко всем трём возможным ароматам и, более того, способные их различать.
Хотя ливни космических лучей являются обычным явлением, вызванным высокоэнергетическими частицами, до поверхности Земли долетают в основном фотоны, мюоны, нейтрино и электроны. Почти все нейтрино, образующиеся в результате ливней космических лучей — это мюонные нейтрино, но это не означает, что абсолютно все обнаруженные нейтрино будут мюонными.
Первоначально построенные нами детекторы нейтрино были чувствительны только к электронному аромату нейтрино — единственному, о котором мы изначально знали. Когда мы начали измерять нейтрино от единственного близлежащего источника, который, как мы были уверены, должен их создавать, — Солнца, мы сразу же заметили, что обнаруживаем только треть от общего количества нейтрино, которое, по нашим прогнозам, должно было там присутствовать.
Эта проблема дефицита солнечных нейтрино была решена только спустя десятилетия, когда мы объединили большие массивы данных из экспериментов с солнечными нейтрино, из реакторных и лучевых нейтринных наблюдений и из атмосферных нейтринных экспериментов — экспериментов по измерению нейтрино, возникающих при столкновении высокоэнергетических космических лучей с атмосферой Земли, — и пришли к единому выводу. Эти нейтрино существуют в трёх видах, все они массивны и при измерении или взаимодействии с другой квантовой частицей всегда должны принимать один из трёх возможных ароматов: электронный, мюонный и тау.
На этом снимке Хаббла виден остаток сверхновой 1987a, расположенной в Большом Магеллановом Облаке на расстоянии около 165 000 световых лет. Это была самая близкая к Земле сверхновая за последние три столетия, и на её поверхности находится самый горячий объект из всех известных в настоящее время в Местной группе галактик. Температура её поверхности сейчас оценивается примерно в ~600 000 К, и она стала первым источником нейтрино, обнаруженным за пределами нашей Солнечной системы. Нейтрино, пришедшие от него, возникли в виде всплеска длительностью около ~10 секунд, что соответствует ожидаемому времени образования нейтрино.
Кроме трёх источников нейтрино, которые мы видим постоянно:
нейтрино, созданные на Солнце,
нейтрино, созданные в результате лабораторной реакции, например, в ускорителе частиц или ядерном реакторе,
и нейтрино, созданные в атмосфере Земли, возникающие в результате ливней космических лучей,
бывают ещё только нейтрино, рождающиеся в самых высокоэнергетических астрофизических катаклизмах. Первый из них был замечен в 1987 году, когда свет сверхновой звезды пришёл с расстояния всего 165 тыс. световых лет: из галактики-спутника нашей планеты, известной как Большое Магелланово Облако.
Хотя на три отдельных детектора поступило всего ~20 нейтрино, они совпали по времени, энергии и направлению с нейтрино, образующимися в результате реакции ядра сверхновой. Мы быстро поняли, что нейтринообразующие реакции происходят по всей Вселенной и что мы можем обнаружить их при наличии достаточно больших объёмов вещества, с которым они сталкиваются, и достаточно чувствительных детекторов, окружающих их, с точки зрения разрешения по импульсу и энергии. Это послужило основанием для создания самого чувствительного нейтринного детектора на Земле — IceCube.
При взаимодействии нейтрино в прозрачном антарктическом льду образуются вторичные частицы, которые, проходя через детектор IceCube, оставляют за собой след в виде голубого света. IceCube представляет собой серию из 86 вмонтированных в лёд струн, способных регистрировать черенковские фотоны, образующиеся в ливнях частиц, возникающих при характерных взаимодействиях нейтрино. Если бы в Млечном Пути взорвалась сверхновая, то только IceCube обнаружил бы многие миллионы нейтрино.
Состоящий из 86 струнных детекторов, спускаемых в кубический километр льда на Южном полюсе, IceCube начал работать в полную силу более десяти лет назад: в мае 2011 г. Когда нейтрино — из любого источника — ударяются о ледниковый лёд, они порождают вторичные частицы всех видов, если только у них есть достаточно энергии для этого (согласно формуле E = mc2). Хотя все эти частицы должны двигаться либо со скоростью света (если они безмассовые), либо ниже скорости света (если они массивные), это ограничение относится к скорости света в вакууме, т.е. в пустом пространстве.
Но поскольку эти частицы движутся не в вакууме пустого пространства, а во льду, они могут, и часто так и происходит, двигаться быстрее света в этой конкретной среде, где скорость света составляет лишь около ¾ от её вакуумного значения. Если возникает частица, движущаяся со скоростью, превышающей примерно 76% скорости света в вакууме, то она взаимодействует с окружающими её частицами (льда), испуская смесь синего и ультрафиолетового света конической формы — характерный сигнал черенковского излучения. Реконструируя различные сигналы черенковского излучения, мы можем точно определить, где и при каких энергиях были созданы эти частицы, что позволит нам реконструировать нейтринные события, которые их вызвали.
На этой карте показаны кандидаты в нейтрино высоких энергий, помеченные как «тревожные события», которые наблюдались IceCube. Цветовая шкала показывает «сигнальность» каждого события, которая определяет вероятность того, что каждое событие является астрофизическим нейтрино, а не фоновым событием в атмосфере Земли.
С 2011 г., когда детектор заработал в полную силу, в поле зрения IceCube неожиданно попали некоторые астрофизические сигналы, которые ранее не удавалось идентифицировать по нейтринным сигнатурам. Наиболее эффектные сигналы были получены от вспыхивающих гамма-излучением блазаров, и наиболее известный из них — TXS 0506+056. Блазар находится в центре активной галактики, галактическое ядро которой состоит из активно питающейся сверхмассивной чёрной дыры. Обычно такие чёрные дыры создают струи коллимированного высокоэнергетического излучения, которые испускаются перпендикулярно аккреционному диску вокруг чёрной дыры. Только в случае блазара эта струя направлена прямо на нас.
После первого обнаружения IceCube наблюдал нейтрино ещё два таких блазара: PKS 1424+240 и GB6 J1542+6129. Хотя их нейтринные сигнатуры были менее мощными и сильными, чем у первого блазара, обнаруженного IceCube, они все же выделялись на фоне диффузного нейтринного фона, также наблюдаемого IceCube. Всё, что вам нужно, если вы хотите определить физический источник наблюдаемого сигнала, — это сигнал, выделяющийся из шумового фона вашего эксперимента. Тот факт, что у нас есть карта неба в гамма-диапазоне, а также в других диапазонах волн, помог нам идентифицировать эти источники как источники высокоэнергетических нейтрино.
На этой художественной иллюстрации блазар ускоряет протоны, из которых образуются пионы, дающие при распаде нейтрино и гамма-излучение. При этом также образуются фотоны более низких энергий. Хотя как наука нейтринная астрономия, изучающая нейтрино, появляющиеся за пределами нашей Солнечной системы, началась только в 1987 году, мы уже достигли такого уровня, что можем обнаруживать нейтрино на расстоянии миллиардов световых лет, начиная с блазара TXS 0506+056.
Даже с расстояния в миллиарды световых лет некоторые из этих блазаров давали нейтринные сигнатуры, которые эффектно выделялись на графиках. Но между очень-очень близким и очень-очень далёким расстоянием был огромный разрыв. Многие надеялись, что IceCube окажется чувствительным к нейтрино, порождённым сверхновыми, но единственный подозрительный сигнал, который был замечен, оказался простым совпадением. IceCube действительно способен обнаружить нейтрино, порождённые сверхновой с ядерным коллапсом, но для этого она должна находиться очень близко: ближе, чем любая сверхновая, наблюдавшаяся с 2011 года.
Однако IceCube наблюдал большое количество высокоэнергетических событий-кандидатов на нейтрино: их называют «тревожными событиями», поскольку они могут быть астрофизическими источниками нейтрино, а не фоновыми событиями, возникающими в атмосфере Земли. Одна из стратегий заключалась в попытке соотнести эти события с возможными источниками высоких энергий на небе: либо с известными источниками высокоэнергетического света, либо со сверхмассивными чёрными дырами, либо с частицами космических лучей высоких энергий, которые также могут коррелировать со сверхмассивными чёрными дырами. Эти наблюдения наложили самые жёсткие на сегодняшний день ограничения на обилие астрофизических источников нейтрино во всей Вселенной.
На этом составном изображении галактики Messier 77 — одной из ближайших и ярких галактик, содержащей активную растущую сверхмассивную чёрную дыру. Сильные ветры отгоняют вещество от галактического центра, который заслонён пылью, а также испускает рентгеновское и гамма-излучение. Наряду с оптическими и радиоданными видно, что эта галактика излучает во всём электромагнитном спектре.
Однако в новом знаменательном исследовании коллаборация IceCube увидела нечто, удивившее многих: «промежуточный» источник астрофизических нейтрино, возникающий в относительно близкой галактике, удалённой от нас всего на 47 млн световых лет. Галактика Messier 77, известная также как NGC 1068, обладает рядом особенностей, которые делают её чрезвычайно интересной для астрономов:
Это галактика с «двойной спиралью», причём внешняя спираль окружает основную спираль, что свидетельствует о недавнем гравитационном взаимодействии.
В её ядре есть пылевая область размером около 12 световых лет, и она излучает интенсивный радиопоток и сильные эмиссионные линии.
Кроме того, из её ядра — центральной области — исходит рентгеновское излучение.
Фактически все эти факты указывают на активность центральной чёрной дыры, что делает её галактикой с активным ядром. Фактически, она стала первой из целого класса активных галактик, известных как сейфертовские галактики, поскольку астроном Карл Сейферт впервые выделил этот класс с Мессье 77 в качестве архетипа. У Мессье 77 есть сверхмассивная чёрная дыра, которая примерно в четыре раза массивнее Млечного Пути; её диаметр составляет около 170 000 световых лет; и, несмотря на внешний вид, она расположена не лицом к нам, как можно было бы подумать, а наклонена к нашей прямой видимости примерно на 40 градусов. Она удаляется от нас со скоростью ~1 100 км/с, подхваченная расширением Вселенной.
Расположение галактики Мессье 77 (NGC 1068) и идентифицированный избыточный нейтринный сигнал, исходящий от неё, превышающий диффузный нейтринный фон, наблюдаемый в других местах. Эти данные свидетельствуют о первом неблазарном, не сверхновом источнике нейтрино, наблюдаемом за пределами нашей Солнечной системы, и исходят из галактики, расположенной на расстоянии 47 млн световых лет.
Но теперь появилась новая причина для интереса к Мессье 77: благодаря IceCube он был идентифицирован как внегалактический источник нейтрино! Это самый мощный источник мюонных нейтрино, наблюдаемых как над диффузным фоном, так и за пределами других известных внегалактических источников нейтрино. Обнаружение 79 избыточных нейтрино с высокими энергиями (более одного триллиона электрон-вольт) над атмосферным и диффузным астрофизическим нейтринным фоном позволяет утверждать, что мы действительно регулярно и в течение нескольких лет наблюдаем нейтрино, исходящие из близлежащей активной галактики.
Более того, команда IceCube впервые смогла оценить поток нейтрино, исходящий от такой сейфертовской галактики: из этого источника поступает около 16 мюонных нейтрино на ТэВ (тера-электрон-вольт) на квадратный метр в год. Большая часть пришедших нейтрино находится в диапазоне энергий от 1,5 ТэВ до 15 ТэВ, что, возможно, указывает на энергетический пик производства нейтрино в этой астрофизической среде. Если предположить, что эта галактика действительно находится на расстоянии 47 млн световых лет и что нейтрино двух других ароматов приходят в равных количествах, то на основе этих данных можно сделать первую в истории оценку того, сколько энергии излучается из пыльной активной галактики в виде нейтрино.
Диффузный поток нейтрино от трёх различных видов нейтрино, а также поток нейтрино от наиболее хорошо измеренного блазара (оранжевый) и ближайшего излучающего нейтрино активного галактического ядра (синий). Наконец-то вырисовывается более полная картина космических нейтрино.
Примечательно, что полученное число примерно в 750 млн раз превышает энергию, излучаемую Солнцем: и это всё исходит в виде нейтрино, из активной галактики, центральная сверхмассивная чёрная дыра которой имеет массу, примерно в 15 млн раз превышающую массу Солнца. Для сравнения: поскольку активное галактическое ядро является также источником гамма-излучения, то в виде нейтрино излучается в восемнадцать раз больше энергии, чем в виде гамма-лучей. Однако это можно объяснить тем, что нейтрино не взаимодействуют с пыльной окружающей средой, а гамма-излучение взаимодействует, в результате чего эта среда может просто гасить гамма-излучение.
Возможно, ещё более интересным является то, что мы можем обратить внимание на другую близлежащую галактику сейфертовского типа — NGC 4151, находящуюся на расстоянии всего 52 млн световых лет от нас, — как на ещё один возможный внегалактический источник нейтрино. Это говорит нам о том, что в близлежащей Вселенной в каждом кубическом квадрате со стороной ~70 млн световых лет находится не более одного активного галактического ядра, излучающего нейтрино, подобного Messier 77. И, наконец, это говорит нам о том, что существует как минимум две популяции источников космических нейтрино: из пылевых активных галактик и из блазаров, и они имеют разные плотности, энергии и светимости. Наконец-то IceCube показывает нам, что находится во Вселенной высокоэнергетических нейтрино. В сочетании с электромагнитным излучением, детекторами космических лучей и обсерваториями гравитационных волн, наконец, в нашем фокусе внимания оказывается Вселенная, представленная сразу на нескольких каналах данных.
