[Перевод] Впервые обнаружены нейтрино ультравысоких энергий, испускаемые сияющими галактиками на другом конце Вселенной
Художественное изображение того, как блазар ускоряет протоны, порождающие пионы, в свою очередь порождающие нейтрино и гамма-лучи. Нейтрино всегда становятся результатом адронных реакций. Гамма-лучи могут появиться как в адронном, так и в электромагнитном взаимодействии.
Одна из величайших загадок науки — определение не только объектов, существующих во Вселенной, но и источников сигналов, которые мы фиксируем здесь, на Земле. Уже более ста лет мы знаем, что Вселенную бороздят космические лучи: частицы высоких энергий, источники которых находятся далеко за пределами нашей Галактики. И хотя некоторые из источников этих частиц уже определены, большая их часть, включая те, что являются наиболее энергетическими, оставалась тайной.
И вот, эта ситуация изменилась. Коллаборация IceCube 22 сентября 2017 года обнаружила нейтрино ультравысоких энергий, прибывшие на Южный полюс, и смогла определить их источник. Когда несколько телескопов, работающих в гамма-диапазоне, направили на одну и ту же точку, они не только увидели сигнал, но и распознали блазар, вспыхивавший как раз в этот момент. Наконец, человечество открыло, по крайней мере, один источник, создающий эти ультраэнергичные космические частицы.
Когда чёрные дыры пожирают материю, они создают аккреционный диск и вылетающие с обоих полюсов струи, ему перпендикулярные. Когда струя сверхмассивной чёрной дыры указывает на нас, мы называем её блазаром, а в конкретном случае это был объект BL Ящерицы. Сейчас они считаются основным источником космических лучей и нейтрино высоких энергий
Вселенная, куда бы мы ни посмотрели, заполнена вещами, которые можно наблюдать, и с которыми можно взаимодействовать. Материя комкуется, образуя галактики, звёзды, планеты и даже людей. Излучение течёт сквозь Вселенную, покрывая весь электромагнитный спектр. И в каждом кубическом сантиметре пространства можно найти сотни призрачных частиц с крохотной массой, известных, как нейтрино.
По крайней мере, их можно было бы найти, если бы они достаточно часто взаимодействовали с нормальной материей, с которой мы знаем, как обходиться. Но вместо этого нейтрино могут пройти через стену свинца толщиной в световой год, и иметь шансы на столкновение с любой её частицей, равные 50/50. Несколько десятилетий после того, как об их существовании предположили в 1930-м, мы не могли их обнаружить.
Экспериментальный ядерный реактор RA-6, демонстрирующий характерное излучение Черенкова, вызываемое движущимися быстрее света в воде частицами. Нейтрино (или, точнее, антинейтрино), гипотезу о существовании которых впервые выдвинул Паули в 1930-м, были обнаружены в сходном ядерном реакторе в 1956.
В 1956 году мы впервые обнаружили их, расположив детекторы рядом с ядерными реакторами, в нескольких метрах от места их появления. В 1960-х мы построили достаточно большие детекторы — под землёй, защищённые от других загрязняющих частиц — чтобы найти нейтрино, появляющиеся в Солнце, и те, что порождаются столкновением космических лучей с атмосферой.
Затем в 1987 только приятная неожиданность в виде взрыва сверхновой недалеко от нас позволила нам обнаружить летящие оттуда нейтрино. Эксперименты, работавшие совершенно с другой целью, обнаружили нейтрино от SN 1987A, и открыли эру астрономии нескольких «посыльных». Насколько мы могли судить, нейтрино пролетели через Вселенную с энергиями, неотличимыми от скорости света.
Остатки сверхновой 1987а, расположенные в Большом Магеллановом Облаке в 165 000 световых годах от нас. То, что нейтрино прибыли за несколько часов до первого сигнала, больше рассказало нам о времени, которое требуется свету на распространение сквозь слои звезды, чем о скорости перемещения нейтрино, которая была неотличимой от скорости света. Судя по всему, нейтрино, свет и гравитация перемещаются с одной скоростью.
Примерно 30 лет нейтрино из этой сверхновой оставались единственными подтверждёнными нейтрино, пришедшими из-за пределов Солнечной системы, не говоря уже о пределах Галактики. Но это не значит, что мы не принимали нейтрино из более дальних источников; это просто означало, что мы не могли надёжно сопоставить их с любым известным источником в небе. Хотя нейтрино очень слабо реагируют с материей, вероятность реакции повышается с повышением их энергии.
И тут вступает в игру обсерватория IceCube.
Обсерватория IceCube, первая нейтринная обсерватория в своём роде, разработана для наблюдения за этими неуловимыми частицами высоких энергий под льдами Антарктики.
Глубоко подо льдами Южного полюса, внутри IceCube находится кубический километр твёрдого вещества, помогающего находить эти почти безмассовые нейтрино. При прохождении нейтрино сквозь Землю всегда есть шанс, что они прореагируют с находящейся там частицей. Взаимодействие приведёт к появлению ливня частиц, что должно оставить недвусмысленные следы на детекторах.
Иллюстрация того, как нейтрино прореагировал с молекулой льда, выдав вторичную частицу — мюон — движущийся во льду с релятивистской скоростью, и оставляющий за собой след из голубого света
За шесть лет работы IceCube детекторы обнаружили более 80 высокоэнергетических космических нейтрино с энергиями более 100 ТэВ: это более чем в 10 раз превышает самые высокие показатели энергии, достигнутые какими бы то ни было частицами на Большом адронном коллайдере. Некоторые из них подобрались даже к шкале в ПэВ, достигая энергий в тысячу раз больших, чем те, что необходимы для создания даже наиболее тяжёлых из известных на сегодня фундаментальных частиц.
Несмотря на все эти нейтрино из космоса, прибывшие на Землю, до сей поры мы не могли сопоставить их с источником в небе, местоположение которого было бы нам точно известно. Обнаружение этих нейтрино — удивительное достижение, но мы не сможем понять, какой процесс их порождает, если только не сумеем сопоставить их в реальным, наблюдаемым объектом Вселенной — к примеру, таким, который мы также можем наблюдать в электромагнитном излучении.
Когда нейтрино взаимодействует с частицами чистого антарктического льда, он порождает вторичные частицы, оставляющие след в виде голубого света во время прохождения через детектор IceCube
У теоретиков не было проблем с придумыванием идей, например:
- гиперновые, самые яркие разновидности сверхновых,
- вспышки гамма-излучения,
- вспышки, порождаемые чёрными дырами,
- квазары, крупнейшие из активных чёрных дыр Вселенной.
Но чтобы решить этот вопрос, нужны были доказательства.
Пример высокоэнергетического нейтрино, обнаруженного на IceCube: нейтрино с энергией 4,45 ПэВ столкнулся с детектором в 2014 году.
IceCube отслеживал и выпускал отчёты после каждого обнаруженного ими нейтрино ультравысокой энергии. 22 сентября 2017 года наблюдалось ещё одно такое явление: IceCube-170922A. В отчёте учёные объявили следующее:
22 сентября 2017 года IceCube обнаружил событие очень высокой энергии, с высокой вероятностью имеющее астрофизический источник. Это событие было обнаружено системой отслеживания событий высоких энергий Extremely High Energy (EHE). IceCube находился в нормальном рабочем режиме. События EHE обычно связаны с вершиной взаимодействия, находящейся за пределами детектора, в которой порождается мюон, пересекающий объём детектора с высоким уровнем [энергии].
Космические лучи вызывают атмосферные ливни из частиц, сталкиваясь с протонами и атомами атмосферы, и испускают свет благодаря излучению Черенкова. Наблюдая космические лучи в небе и нейтрино, доходящие до Земли, мы используем совпадения, чтобы раскрыть источники обеих явлений.
Это предприятие интересно не только частицами нейтрино, но и в целом космическими лучами. Несмотря на то, что мы наблюдали миллионы космических лучей высоких энергий за последние сто лет, мы не знаем источников большей их части. И это справедливо для протонов, ядер и нейтрино, как созданных в их источнике, так и появившихся в результате атмосферных ливней.
Именно поэтому таким интересным было то, что кроме предупреждения о явлении, IceCube также выдал небесные координаты, откуда эти нейтрино должны были прибыть:
- RA: 77,43 град (-0,80 град /+1,30 град 90% PSF containment) J2000
- Dec: 5,72 град (-0,40 град /+0,70 град 90% PSF containment) J2000
И они привели наблюдателей, пытавшихся выполнить последующие наблюдения в электромагнитном спектре, к этому объекту.
Художественное изображение активного ядра галактики. Сверхмассивная чёрная дыра в центре аккреционного диска отправляет узкие струи материи высокой энергии в космос, перпендикулярные диску. Блазар, находящийся в 4 млрд световых лет от нас, стал источником этих космических лучей и нейтрино.
Это оказался блазар: сверхмассивная чёрная дыра в активном состоянии, питающаяся материей и ускоряющая её до невероятных скоростей. Блазары — это те же квазары, но с одним важным отличием. Квазары могут быть ориентированы в любом направлении, а у блазара одна из струй всегда направлена прямо на Землю. Они названы блазарами от слова blaze, что означает «сиять, ярко гореть» — они сияют прямо в нашу сторону.
Этот конкретный блазар известен, как TXS 0506+056, и множество обсерваторий, включая обсерваторию Ферми в НАСА и наземный телескоп MAGIC на Канарских островах, сразу же обнаружили исходящие от него гамма-лучи.
Порядка 20 обсерваторий на Земле и в космосе провели наблюдения по следам обнаружения нейтрино, используя местоположение, выданное детектором IceCube в прошлом сентябре. Это позволило определить то, что учёные считают источником высокоэнергетических нейтрино, и, следовательно, космических лучей. Кроме нейтрино наблюдения, сделанные по всему электромагнитному спектру, велись в гамма-, рентгеновском, оптическом и радиодиапазоне.
Кроме того, по прибытии нейтрино оказалось, что блазар находится в сияющем состоянии, соответствующем самому активному выбросу частиц для такого рода объектов. Поскольку выброс частиц имеет свои максимумы и минимумы, исследователи с IceCube прочесали записи за десять лет наблюдений, предшествовавших вспышке от 22 сентября 2017, в поисках любых событий, связанных с нейтрино, которые могли бы прийти от TXS 0506+056.
Они сразу же обнаружили, что нейтрино приходили от этого объекта несколькими вспышками, что растянулось на много лет. Комбинируя наблюдение за нейтрино с наблюдениями в электромагнитном диапазоне, мы смогли надёжно заключить, что нейтрино высоких энергий приходят к нам от блазаров, и что у нас есть возможность обнаруживать их, даже пришедших с таких огромных расстояний. TXS 0506+056 находится на расстоянии в 4 млрд световых лет от нас.
Блазар TXS 0506+056 — первый подтверждённый источник нейтрино и космических лучей высоких энергий. На снимке показано расположение блазара, расположенного в небе у левого плеча созвездия Ориона.
Из одного-единственного наблюдения события с несколькими «посланниками» можно вывести огромное количество информации:
- Продемонстрировано, что блазары являются, по меньшей мере, одним из источников космических лучей.
- Для появления нейтрино необходимы распадающиеся пионы, появляющиеся из-за быстро движущихся протонов.
- Первое убедительное свидетельство ускорения протонов чёрными дырами.
- TXS 0506+056 — один из наиболее ярких источников Вселенной.
- Сопутствующие гамма-лучи говорят о том, что космические нейтрино и космические лучи, по крайней мере, время от времени, могут иметь общий источник.
Космические лучи, испускаемые астрофизическими источниками высоких энергий, могут достигать поверхности Земли. Когда космический луч сталкивается с частицей земной атмосферы, он порождает ливень из частиц, который мы можем обнаружить при помощи массивов наземных датчиков. Наконец, мы раскрыли их основной источник.
Согласно Фрэнсису Хальзену, руководителю исследований нейтринной обсерватории IceCube:
Интересно, что в астрофизическом сообществе было распространено мнение, согласно которому блазары вряд ли могут считаться источниками космических лучей –, а тут такое… Возможность выстраивать телескопы всего мира и совершать открытие на многих длинах волн совместно с таким нейтринным детектором, как IceCube, отмечает новую веху в том, что учёные называют «астрономией нескольких посыльных» [multi-messenger astronomy].
Эра астрономии нескольких посыльных официально наступила, и теперь у нас есть три совершенно независимых, дополняющих друг друга способа смотреть в небо: при помощи света, нейтрино и гравитационных волн. Мы узнали, что блазары, когда-то считавшиеся маловероятными кандидатами на порождение нейтрино высоких энергий и космических лучей, на самом деле порождают и то, и другое.
Представление художника об удалённом квазаре 3C 279. Исходящие с обоих полюсов струи — явление распространённое, но очень редко бывает так, что такая струя указывает прямо на нас. Когда это происходит, мы получаем блазар — как теперь подтверждено, источник космических лучей и нейтрино высоких энергий, наблюдавшихся нами в течение многих лет.
Вместе с этим открытием официально запускается новая научная область, астрономия высокоэнергетических нейтрино. Нейтрино уже не являются побочным продуктом других взаимодействий или космической диковинкой, едва выходящей за пределы Солнечной системы. Теперь мы можем использовать их как фундаментальный зонд Вселенной и самих законов физики. Одной из главных целей постройки IceCube было определить источники высокоэнергетических космических нейтрино. С подтверждением блазара TXS 0506+056 в качестве источника как этих нейтрино, так и космических лучей, одна космическая мечта из многих, наконец, оказалась реализованной.
