Версия для печати
Вернуться к списку

Все космические нейтрино высоких энергий рождаются квазарами

Российские ученые предложили новый механизм появления легчайших элементарных частиц

Ученые из Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН), Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Московского физико-технического института (МФТИ) исследовали направления прихода астрофизических нейтрино с энергиями свыше триллиона электронвольт (ТэВ) и пришли к неожиданному выводу: все они рождаются вблизи черных дыр в центрах далеких активных галактик — мощных источников радиоизлучения. Ранее предполагалось, что в источниках этого класса можно получить только нейтрино с самыми высокими энергиями.

Считается, что в центрах активных галактик нашей Вселенной располагаются массивные черные дыры. Они являются сердцем этих объектов со светимостью в сотни миллионов солнц. Эти активные галактики — квазары — хорошо видны с Земли как оптическими, так и радиотелескопами.

Российские ученые Александр Плавин, отец и сын Ковалевы, обоих зовут Юрий, и Сергей Троицкий установили связь между происхождением нейтрино наиболее высоких энергий (свыше 200 ТэВ) и радиоквазарами. Уже это было удивительно, потому что теоретические статьи 1990-х годов указывали, что астрофизические нейтрино будут рождаться только при энергиях от 1000 ТэВ.

Нейтрино — мельчайшие элементарные частицы, у которых масса едва отлична от нуля, зато они могут пересекать Вселенную, практически не взаимодействуя с веществом и не имея никаких задержек на своем пути. Триллионы нейтрино в секунду проходят сквозь каждого человека на Земле, оставаясь совершенно незамеченными. Для регистрации нейтрино международная коллаборация ученых построила в Антарктиде специальный подледный телескоп — черенковский детектор IceCube, занимающий объем 1 куб. км льда. А в России ИЯИ РАН и ОИЯИ сейчас заканчивают сооружение подводного телескопа Baikal GVD в озере Байкал, объем которого уже приближается к IceCube. На уже начавшей работу части установки идет набор данных. Эти инструменты изучают небо в разных полусферах — Северной и Южной.

Карта неба. Чем темнее (от белого к желтому-красному-синему-черному), тем больше вероятность прихода нейтрино из данного направления. Квазары показаны зелеными кружками. Внимательный глаз может заметить, что зеленые кружки предпочитают не находиться в белых областях

Проанализировав данные, собранные за семь лет на телескопе IceCube, ученые первоначально выбрали для анализа диапазон выше 200 ТэВ, чтобы изучить, с какого направления пришли эти нейтрино. Оказалось, что заметная их часть родилась в квазарах, выделенных радиотелескопами по их высокой яркости. Точнее, нейтрино родились где-то в центрах квазаров. Там располагаются массивные черные дыры, питающие их аккреционные диски, а также сверхбыстрые выбросы очень горячего газа. Более того, существует связь между мощными вспышками радиоизлучения в этих квазарах и регистрацией нейтрино на телескопе IceCube. Поскольку нейтрино распространяются по Вселенной со скоростью света, вспышки приходят к нам одновременно с нейтрино.

Теперь в своей новой статье российские ученые утверждают, что нейтрино энергий в десятки ТэВ тоже испускаются квазарами. В результате получается, что все — ну хорошо, почти все,— астрофизические нейтрино высоких энергий рождаются в квазарах. Заметим, кроме астрофизических, есть нейтрино, которые рождаются в атмосфере Земли и даже в самом детекторе IceCube во время взаимодействия космических лучей с веществом.

Подледная нейтринная обсерватория IceCube в Антарктиде

«Результат удивителен, поскольку для рождения нейтрино с энергиями, различающимися в 100–1000 раз, нужны разные физические условия.

Обсуждавшиеся ранее механизмы рождения нейтрино в активных галактических ядрах работали только при высоких энергиях. Мы предложили новый механизм рождения нейтрино в квазарах, который объясняет полученные результаты. Пока это приближенная модель, над ней надо работать, проводить компьютерное моделирование»,— рассказывает главный научный сотрудник ИЯИ РАН, член-корреспондент Российской академии наук Сергей Троицкий. Соавтор открытия из ФИАН и МФТИ член-корреспондент РАН Юрий Ковалев пояснил результаты в программе «Гамбургский счет» на ОТР.

а фото участники байкальского эксперимента готовят к погружению под покрывающий озеро лед детектор черенковского излучения (оптический модуль). Фотоэлектронный умножитель и прочая электроника помещены внутрь выдерживающего давление полутора километров воды прозрачного шара. Это - часть телескопа, которая собирает и передает по кабелю на берег информацию о слабенькой вспышке, сопровождающей взаимодействие нейтрино в воде

В сентябре 2020 года консорциум под руководством Института ядерных исследований РАН выиграл трехлетний грант Минобрнауки с финансированием 100 млн руб. в год по теме «Нейтрино и астрофизика частиц». Объединились семь организаций, ИЯИ РАН, ОИЯИ, ФИАН, МФТИ, САО РАН, ГАИШ МГУ, Иркутский государственный университет. Около 100 ученых будут работать над решением вопроса о происхождении нейтрино, а также изучать его свойства. Проектом также предусмотрены и другие исследования, направленные на понимание природы астрофизических нейтрино высоких энергий, в том числе поиск фотонов того же диапазона энергий на установке «Ковер-3» Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН (Северный Кавказ).

Связь нейтрино и радиоквазаров вызвала большой интерес в мире. Начинается совместная работа российских ученых с нейтринным экспериментом ANTARES в Средиземном море. Свежая статья европейских и американских ученых независимо подтвердила открытие российской группы по данным радиотелескопов в США и Финляндии. Новые события прихода астрофизических нейтрино теперь отслеживаются крупными мировыми радиотелескопами и антенными решетками.

В 2021 году российские ученые соберут первые данные с телескопа Baikal GVD и проанализируют их совместно с данными РАТАН-600 и мировых сетей радиотелескопов, позволяющих в деталях рассмотреть центры квазаров. Нас ждет много интересного.