Анализ данных обсерватории IceCube связал часть астрофизических нейтрино с блазарами

Рис. 1. Рабочим телом детектора IceCube является антарктический лед, в который помещены чувствительные к свету сенсоры — фотоумножители. Пролетающее нейтрино с очень маленькой вероятностью может провзаимодействовать с молекулами воды во льду. При этом рождаются вторичные частицы, которые в свою очередь создают черенковское свечение, которое улавливается фотоумножителями. Таким образом можно измерить энергию частицы и направление ее прилета. Каждая из 86 струн IceCube несет по 60 фотоумножителей, которые располагаются на глубинах 1,45–2,45 км в толще льда. Для масштаба изображена Эйфелева башня. Схема с сайта phys.org

Список потенциальных источников астрофизических — то есть появившихся вне Солнечной системы — нейтрино довольно большой: активные ядра галактик с разными характеристиками (например, квазары, блазары, радиогалактики), галактики с активным звездообразованием, галактические скопления, сверхновые, гиперновые, слияния белых карликов и многое другое. Однако до недавних пор статус источника астрофизических нейтрино был надежно подтвержден только для сверхновых. Теперь компанию им составляют блазары: тщательный статистический анализ данных эксперимента IceCube за несколько лет позволил утверждать, что они тоже могут порождать высокоэнергетические нейтрино.

Нейтринная обсерватория IceCube расположена на Южном полюсе на территории антарктической станции Амундсен — Скотт. Обсерватория была введена в строй в 2011 году и уже позволила получить немало важных результатов. «Элементы» подробно рассказывали о некоторых из них: см. новости IceCube окончательно доказал реальность астрофизических нейтрино («Элементы», 27.05.2014), Нейтринная астрофизика делает первые шаги («Элементы», 20.11.2015), Многоканальные наблюдения установили источник высокоэнергетичного нейтрино, зарегистрированного IceCube («Элементы», 17.07.2018). В этих же новостях детально описано устройство и принцип IceCube, поэтому здесь мы ограничимся лишь основными моментами.

У нейтрино очень маленькое сечение рассеяния, поэтому эти частицы практически не взаимодействуют с обычной материей и, например, легко могут пролететь всю Землю насквозь. Изредка, однако, нейтрино все-таки взаимодействуют с атомами вещества. Эти «столкновения» порождают вторичные заряженные частицы, генерирующие черенковское излучение, которое и улавливается фотоумножителями обсерватории. Из этих особенностей поведения нейтрино следует, что, с одной стороны, детекторы для их изучения должны быть как можно больше, но с другой стороны, их не обязательно под завязку шпиговать чувствительными элементами: если рабочий объем заполнен чем-то достаточно прозрачным для черенковского излучения, то фотоумножители можно располагать далеко друг от друга. Многовековой лед Антарктиды хорошо подходит на роль среды для детектора (собственно, отсюда и название: ice cube означает «ледяной куб» — рабочий объем установки составляет примерно кубический километр).

Расположенные в виде решетки фотоумножители позволяют определять геометрию черенковской вспышки. Благодаря этому ученые могут с неплохой точностью установить, откуда прилетела ее частица-прародитель (а также некоторые другие параметры вроде энергии частицы). Это критически важно для того, чтобы отделять нейтринные события от прочих. Дело в том, что источниками черенковского излучения во льду могут быть и другие частицы: например, мюоны, порожденные космическими лучами — ядрами атомов различного космического происхождения, зачастую имеющими энергию до нескольких джоулей (для одиночного иона это гигантская энергия). Значит, нужно уметь выделять полезный сигнал из фона. В качестве «фильтра» тут выступает Земля: сквозь нее могут пройти только нейтрино, а сигнал с других направлений можно не учитывать (чтобы лишние события случайно не попали в статистику). Получается, что хотя IceCube находится на Южном полюсе, он на самом деле нацелен на исследование северного неба.

Ученые ,работающие с собранными на IceCube данными, стараются найти участки северного неба, из которых прилетает больше нейтрино. Нейтрино, в отличие от космических лучей, не имеют электрического заряда, а потому не отклоняются в галактических и межгалактических магнитных полях. Значит, направление прилета нейтрино — если определить его точно — указывает прямо на их источник.

Звучит просто, но понадобилось почти десять лет, чтобы определить, откуда же, собственно, летят нейтрино, детектируемые IceCube. Еще в 2013 году было установлено, что IceCube «видит» нейтрино астрофизического происхождения (см. IceCube окончательно доказал реальность астрофизических нейтрино, «Элементы», 27.05.2014). Это значит, что не все нейтрино, улавливаемые обсерваторией, родились внутри Солнца или при прохождении космических лучей через атмосферу. Но откуда именно они летят?

Основная сложность поиска источника астрофизических нейтрино заключается в том, что восстановить направление прилета нейтрино удается лишь со значительной погрешностью — порядка одного градуса (а это вдвое больше видимого размера Луны на небе). На помощь приходят статистические методы. Проанализировав открытый каталог данных IceCube за 7 лет (2008–2015 годы), содержащий более 700 тысяч событий с энергиями от 1 ТэВ, ученые из университета Вюрцбурга (Германия) пришли к выводу, что источниками высокоэнергичных нейтрино являются блазары. Результаты этого анализа недавно были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters. Авторы спроецировали координаты каждого из зарегистрированных нейтрино на карту неба (рис. 2). Учитывая точность определения направления каждого события, ученые вычислили статистическую характеристику каждой точки неба, соответствующую вероятности того, что в ней находится источник нейтрино. Локальные максимумы этой статистической характеристики («пятна» на карте) соответствуют источникам нейтрино.

Рис. 2. Карта неба в экваториальных координатах (экватор Земли проецируется на горизонтальную среднюю линию карты). Цветные пятна показывают локальные значения оценки вероятности прилета нейтрино с данного направления. Квадратиками показаны положения блазаров. Галактическая плоскость и положение центра Млечного Пути показаны зеленой линией и звездочкой. Рисунок из обсуждаемой статьи в The Astrophysical Journal Letters

Идея о том, что блазары могут быть источниками нейтрино, в целом, достаточно очевидна и высказывалась ранее неоднократно (см. уже упоминавшиеся выше новости, а также статью Где рождаются нейтрино?). Проблема была лишь в надежном доказательстве, что астрофизические нейтрино действительно прилетают к нам от блазаров: статистическая значимость предыдущих работ не дотягивала до строгих критериев физики высоких энергий. Но теперь с этим все в порядке — в новой публикации описано полноценное «открытие» со значимостью более 5σ.

Блазары — это подкласс активных ядер галактик (АЯГ), то есть галактик, центральные области которых излучают необычайно ярко в широком диапазоне частот. Сердцем галактического ядра является сверхмассивная черная дыра. В АЯГ черная дыра активно поглощает материю, формируя вокруг себя аккреционный диск. В некоторых случаях аккреция сопровождается появлением двух джетов — узконаправленных лучей мощного излучения, бьющих с двух полюсов черной дыры. Если один из джетов направлен в сторону Земли, АЯГ и называют блазаром.

Рис. 3. Активное ядро галактики Лебедь A в радио- (красный цвет), рентгеновском (синий) и видимом диапазонах. Релятивистский джет показан в увеличенном виде внизу (обратите внимание, что его масштаб в 20 000 раз мельче, чем у основного изображения). Длина масштабных отрезков указана в парсеках и килопарсеках. Рисунок из статьи R. Blandford et al., 2019. Relativistic Jets from Active Galactic Nuclei

Как именно появляются релятивистские джеты возле черной дыры? В деталях это до сих пор не ясно. Наиболее многообещающими являются модели, в которых джеты образуются при комбинированном учете эффектов магнитных полей и вращения черной дыры: либо джет рождается как результат магнитоцентрифужного ускорения материи с поверхности аккреционного диска, либо из магнитосферы черной дыры за счет преобразования энергии вращения черной дыры. Джеты создают синхротронное излучение, из чего можно заключить, что в них ускоряются заряженные частицы. Среди таких частиц имеются заряженные пи-мезоны, которые быстро распадаются на мюон и нейтрино. Именно эти нейтрино и наблюдаются в IceCube.

То есть наблюдение нейтрино от блазаров является прямым указанием на то, что джеты сверхмассивных черных дыр являются космическими ускорителями частиц. Насколько они эффективны? Рождение нейтрино с энергией \(E\) возможно как побочный продукт ускорения заряженной частицы до энергии примерно \(20E/Z\), где \(Z\) — заряд частицы в единицах заряда электрона (такой вывод следует из кинематики образования нейтрино, подробнее см. F. Halzen, 2013. Pionic photons and neutrinos from cosmic ray accelerators). Плюс не забываем, что энергия нейтрино падает при пролете от источника до наблюдателя за счет расширения Вселенной (из-за красного смещения, см. Как открывали расширение Вселенной). То есть наблюдаемую энергию нейтрино нужно еще умножить на \(1+z\) где \(z\) — красное смещение блазара (для исследуемых блазаров \(z\) имеет значение от 0,06 до 3,7). Значит, для наблюдаемых нейтрино в диапазоне энергий от 100 ТэВ (1 тераэлектронвольт = 10¹² эВ) до 10 ПэВ (1 петаэлектронвольт = 10¹⁵ эВ) можно ожидать ускорения протонов как минимум до энергий в несколько сотен ПэВ.

Рис. 4. Спектр космических лучей. В целом спектр следует степенному закону с показателем примерно −3. То есть при увеличении энергии космических лучей в 10 раз их интенсивность падает в ~1000 раз. В спектре имеется несколько особенностей, самые заметные это «колено» (knee) на энергии около 3 ПэВ и «лодыжка» (ankle) на энергии около 5 ЭэВ (1 экзаэлектронвольт = 10¹⁸ эВ). Считается, что «колено» объясняется особенностями ускорения частиц в астрофизических ускорителях и их распространения в турбулентных магнитных полях в нашей Галактике, а «лодыжка» — переходом от галактических космических лучей к внегалактическим. См. также задачу Степенная зависимость из ничего. График с сайта zenodo.org

Интересно, что в некоторых СМИ сообщения об этой работе вышли с заголовками в духе «Мы наконец знаем, откуда прилетают самые энергичные космические лучи» (вот один из примеров). Но это формирует у читателя в корне неверную картинку происходящего. Вывод об ускорении космических лучей в активных ядрах галактик — лишь следствие того, в них рождаются астрофизические нейтрино. И мы по-прежнему не знаем, до какой максимальной энергии могут ускоряться космические лучи в АЯГ. Самые энергичные космические лучи (космические лучи ультравысоких энергий, см. «Глаз мухи» и космические лучи) имеют энергию порядка ста экзаэлектронвольт (10²⁰ эВ). Это заметно больше, чем та энергия, которую можно теоретически получить, исходя из энергии наблюдаемых нейтрино (это, напомним, до 10¹⁷ эВ). Более того, галактические и внегалактические магнитные поля значительно искривляют траектории космических лучей, так что направление их прилета, даже если они летят из блазаров, не указывает на их источник.

Самый близкий блазар из списка, использованного в обсуждаемой статье, находится на расстоянии около 280 Мпк от нас. Это в несколько раз больше так называемого предела Грайзена — Зацепина — Кузьмина (ГЗК), который определяет среднюю длину пролета протона сквозь фон реликтовых фотонов и составляющего около 50 Мпк. Таким образом, хотя и возникает желание объявить АЯГ ускорителями самых энергичных космических лучей, пока что для этого недостаточно данных. Да, мы теперь знаем, что АЯГ ускоряют космические лучи, потому что мы видим нейтрино, прилетающие из блазаров. Но ассоциировать космические лучи с блазарами нельзя: исследованные блазары находятся слишком далеко (а в пределах 50 Мпк их совсем мало). Даже если действительно верно, что АЯГ — мощнейшие ускорители частиц во Вселенной, надо помнить, что магнитные поля значительно искажают направление прилета космических лучей, так что пока практически никаких выводов об их источниках нельзя сделать.

В заключение напомню, что пять лет назад команда обсерватории Пьера Оже (Pierre Auger Observatory) объявила о замечательном открытии: космические лучи с энергиями выше «лодыжки» действительно приходят не из нашей галактики (Обнаружена неоднородность в направлениях прилета космических лучей ультравысоких энергий, «Элементы», 21.09.2017). Год спустя детальный анализ показал, что направления прилета космических лучей ультравысоких энергий совпадают с направлениями то ли на близкие АЯГ, то ли на галактики с активным звездообразованием, причем вторая гипотеза подтверждалась с чуть большей статистической значимостью (A. Aab et al., 2018. An Indication of Anisotropy in Arrival Directions of Ultra-high-energy Cosmic Rays through Comparison to the Flux Pattern of Extragalactic Gamma-Ray Sources). К сожалению, больше пока что ничего сказать нельзя: наиболее значимым внегалактическим источником космических лучей является группа галактик Centaurus A / M 83 / NGC 4945. В этой достаточно тесной группе галактик находятся возможные источники всех классов, и разобрать, что есть что, не представляется возможным.

Тем не менее, благодаря обсуждаемой работе мы перелистнули еще одну важную страницу в изучении Вселенной и получили инструмент исследования далеких блазаров в лице нейтрино. Авторы также отмечают, что не все блазары являются источниками нейтрино. Этот факт поможет разобраться в моделях образования релятивистских джетов АЯГ. Кроме того, не все пятна на нейтринной карте неба совпадают с блазарами: происхождение 9 из 19 пятен все еще не выяснено, и ученым еще предстоит выяснить с какими источниками они связаны. Ими могут оказаться ядра галактик других типов, или еще какие-нибудь космические ускорители (например, скопления галактик и галактики с активным звездообразованием). Учитывая, что нейтрино и космические лучи так тесно связаны, возможно, что какие-то из этих объектов могут также излучать космические лучи.

Источник: Sara Buson, Andrea Tramacere, Leonard Pfeiffer, Lenz Oswald, Raniere de Menezes, Alessandra Azzollini, and Marco Ajello. Beginning a Journey Across the Universe: The Discovery of Extragalactic Neutrino Factories // The Astrophysical Journal Letters. 2022. DOI: 10.3847/2041-8213/ac7d5b.

Михаил Столповский