Космические нейтрино высоких энергий рождаются квазарами

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

В последнее десятилетие международная нейтринная обсерватория IceCube, расположенная в Антарктике, постоянно регистрировала нейтрино сверхвысоких энергий.

Нейтрино — элементарные частицы, не имеющие заряда и обладающие чрезвычайно малой массой. Они рождаются в ядерных реакциях и взаимодействиях элементарных частиц повсюду во Вселенной, и после фотонов это самые распространённые в ней частицы. Их число огромно. Каждую секунду через квадратный сантиметр поверхности на Земле проходят более 60 миллиардов нейтрино. Интересны они тем, что очень слабо взаимодействуют с веществом, не участвуя ни в электромагнитном, ни в сильном взаимодействиях. Они способны пролететь сто световых лет сквозь воду, не задев ни один атом. Солнце, а тем более Земля для них просто прозрачны. Это делает нейтрино источником важнейшей информации о процессах, происходящих во Вселенной и, в частности, внутри звёзд. Ведь только они могут добраться до нас из недр звезды или глубин космоса без изменения. Для сравнения, фотонам необходимо, по разным оценкам, от десятка до сотен тысяч лет для того, чтобы выбраться из ядра Солнца на его поверхность, испытав многократное переизлучение.

Нейтринная обсерватория IceCube в Антарктиде. Более 5000 детекторов погружены глубоко в толщу льда, на поверхности лишь лаборатория, в которой размещены компьютеры, собирающие данные. Фото Фелипе Педрероса.
Участники эксперимента Baikal-GVD готовят к погружению под лёд детектор черенковского излучения, помещённый внутрь прозрачного шара, выдерживающего давление полутора километров воды. Этот детектор будет регистрировать и передавать по кабелю на берег информацию о слабой вспышке, сопровождающей взаимодействие нейтрино с веществом. Фото Баира Шайбонова.
Карта неба, цветные пятна на которой показывают вероятность прихода нейтрино из данного направления. Чем темнее пятно (от белого к жёлтому — красному — синему — чёрному), тем выше вероятность. Квазары показаны зелёными кружками.

В последнее десятилетие международная нейтринная обсерватория IceCube, расположенная в Антарктике, постоянно регистрировала нейтрино сверхвысоких энергий, более двухсот триллионов электронвольт (ТэВ). Несколько таких нейтрино найдено в российском эксперименте Baikal-GVD, ещё до полного запуска Байкальского нейтринного телескопа. Указания на них также были получены нейтринным телескопом ANTARES, находящимся под водой в Средиземном море. Рождение нейтрино с такой энергией в земных условиях крайне маловероятно, так что можно с уверенностью говорить об их космическом происхождении. Специалисты называют их астрофизическими. Более того, исследователи не обнаружили увеличения числа нейтрино с направления, где расположен диск нашей Галактики. Это означает, что источники высокоэнергичных нейтрино лежат за пределами Млечного Пути, однако какова их природа, до настоящего времени ясно не было. Следует сказать, что помимо астрофизических существуют нейтрино, которые рождаются в атмосфере Земли и даже в самом детекторе IceCube во время взаимодействия космических лучей с веществом. Вероятность того, что событие имеет астрофизическое происхождение, а не вызвано атмосферным фоном, растёт с увеличением энергии частицы.

Единственный известный физикам процесс, способный породить нейтрино такой большой энергии, связан с участием релятивистского протона, то есть протона, разогнанного до околосветовой скорости. Но какой «ускоритель» разгоняет эту тяжёлую частицу до гигантских скоростей? Напомним, что она в 1836 раз массивнее электрона. Даже в огромном космосе мало объектов, способных совершить такую работу.

Гипотеза о том, что источниками астрофизических нейтрино могут быть квазары, была выдвинута ещё в конце 1970-х годов. Открытые по мощному радиоизлучению в конце 1950-х годов, эти компактные, похожие на звёзды объекты излучали энергии в тысячи раз больше, чем вся наша Галактика с её сотнями миллиардов звёзд. По современным представлениям, квазары — это активные ядра галактик, где находятся сверхмассивные чёрные дыры массой в миллиарды масс Солнца. Их грандиозная гравитация заставляет окружающее вещество падать на них с огромной скоростью. Формируется вращающийся аккреционный диск, вещество в котором из-за огромного трения разогревается до чрезвычайно высоких температур. В нём возникает сильное магнитное поле, которое, взаимодействуя с диском, порождает релятивистскую струю заряженных частиц (джет). Хотя детали рождения джетов неизвестны до сих пор, интуитивно было понятно, что процессы, происходящие вблизи сверхмассивных чёрных дыр, потенциально способны разогнать протоны до нужных скоростей и породить нейтрино. На роль источников нейтрино особенно хорошо подходили блазары — квазары, имеющие джет, направленный в нашу сторону. В этом случае излучение джета усиливается релятивистскими эффектами, что делает блазары чрезвычайно яркими.

Зарубежные исследователи для проверки этой гипотезы использовали тот факт, что в процессе рождения нейтрино обязательно также возникают гамма-фотоны. Поэтому на протяжении многих лет они пытались обнаружить источник гамма-излучения с направлений, откуда приходят нейтрино, используя космический гамма-телескоп «Ферми» (НАСА). Однако их ждало разочарование: за 10 лет удалось найти всего один квазар, у которого совпал момент прихода нейтрино и вспышки гамма-излучения. Этого слишком мало, чтобы делать какие-либо определённые выводы.

Неожиданную идею — проследить не гамма-, а радиоизлучение квазаров, которые находятся в направлениях, откуда приходят нейтрино, — несколько лет тому назад выдвинул член-корреспондент РАН Юрий Юрьевич Ковалёв, заведующий лабораторией внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра ФИАН им. П. Н. Лебедева, а также лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной в МФТИ. Идея возникла не на пустом месте: именно Ю. Ю. Ковалёв на протяжении полутора десятков лет занимался выборкой радиоквазаров по программе российской космической обсерватории «Радиоастрон» (2011—2019).

Исследовав направления прихода астрофизических нейтрино, Ю. Ю. Ковалёв и его коллеги Александр Викторович Плавин (МФТИ, ФИАН), Юрий Андреевич Ковалёв (ФИАН) и Сергей Вадимович Троицкий (ИЯИ РАН) обосновали рождение большинства таких нейтрино в блазарах. В 2020 году они сделали это для самых энергичных нейтрино (выше 200 ТэВ), которые однозначно ассоциировались с внегалактическими источниками, а в опубликованной 19 февраля 2021 года статье в «The Astrophysical Journal» распространили свой вывод на нейтрино с энергиями, начиная с 1 ТэВ.

Российские астрофизики установили, что квазары, расположенные на небе в областях, откуда приходят нейтрино, более яркие, чем остальные. Каждый блазар по отдельности не проявляет себя как значимый источник нейтрино. Однако проведённый статистический анализ по всей их выборке демонстрирует, что большое количество блазаров вносит вклад в поток нейтрино. Статистический подход позволил решить проблему низкого разрешения нейтринных экспериментов, затрудняющего нахождение связи обнаруженных нейтрино с конкретными источниками-кандидатами.

Рассматривая имеющуюся в распоряжении выборку самых ярких блазаров, исследователи пришли к выводу, что ими можно объяснить треть от общего количества астрофизических нейтрино. Это нижний предел, поскольку существует ещё большое количество других блазаров, которые не попали в выборку, так как слабее сами по себе или расположены дальше. Так что реальное количество нейтрино, связанных с блазарами, гораздо больше. И, скорее всего, почти весь поток астрофизических нейтрино возникает в источниках этого вида. Здесь надо отметить, что ранее это считалось невозможным. Теоретики в своих моделях полагали, что лишь немногие, уникальные квазары способны порождать нейтрино. Так что вывод российских исследователей о том, что в этом участвуют многие блазары, — настоящее открытие.

Ещё одним важным открытием стало определение области, где рождаются нейтрино. Произошло это благодаря использованию данных радиоинтерферометрии с очень длинной базой, когда участвующие в наблюдениях телескопы расположены на больших расстояниях друг от друга. Точность таких наблюдений позволила определить, что нейтрино возникают в центральных областях галактик, размером в несколько парсек, где и располагаются сверхмассивные чёрные дыры.

В исследовании авторы открытия использовали данные о сотнях тысяч нейтринных событий, полученные обсерваторией IceCube за семь лет, с 2008 по 2015 год, с энергиями от долей ТэВ до нескольких ПэВ. Заметим, что уникальные проникающие свойства нейтрино, делающие их ценным объектом исследований, крайне затрудняют регистрацию и измерение их характеристик, недаром за открытие и исследования нейтрино вручено четыре Нобелевские премии. Последняя была присуждена в 2015 году за доказательство существования осцилляций нейтрино — самопроизвольного превращения разных видов нейтрино друг в друга и, как следствие, наличия у нейтрино массы (см. статью «Оборотни микромира», «Наука и жизнь» № 11, 2015 г.). Для регистрации этих неуловимых частиц используют уникальные огромные детекторы, содержащие сотни и тысячи тонн жидкого вещества (сцинтиллятора), где происходят крайне редкие взаимодействия его молекул с нейтрино. При этом рождается быстрая заряженная частица, которую можно зафиксировать. Кроме того, двигаясь со скоростью выше скорости света в данной среде, она порождает так называемое черенковское излучение, фиксируемое сотнями фотодатчиков.

Нейтринная обсерватория IceCube расположена в Антарктиде, на глубине 1450—2450 метров в толще льда. Её название в переводе на русский язык означает «Ледяной куб», оно связано с тем, что в детекторе используется примерно один кубический километр антарктического льда. Это крупнейший на сегодняшний день детектор нейтрино. Чтобы исключить влияние частиц, порождённых другими процессами, в детекторе регистрируются только частицы, движущиеся вверх — от центра Земли к поверхности, поскольку только нейтрино способны пройти Землю насквозь. Около десяти тысяч километров вещества планеты служат надёжным фильтром, отсекающим лишние частицы. Поэтому обсерватория IceCube, находящаяся вблизи Южного полюса, наблюдает нейтрино, которые приходят с северного неба. Там расположены 1938 квазаров из используемой выборки в 3411 объектов.

IceCube фиксирует нейтринные события двух типов: каскады и треки. Первые представляют собой ливни частиц, порождённые нейтрино в объёме детектора. Регистрация всех этих частиц позволяет достаточно хорошо определить энергию первичного нейтрино, но направление его прихода при этом остаётся неизвестным. Во втором случае ситуация обратная, детектор регистрирует относительно узкие треки, возникающие при прохождении через него вторичных мюонов, порождённых нейтрино. Это позволяет достаточно точно определить направление, с которого пришло нейтрино. Угловое разрешение обычно составляет порядка 1°. Однако при этом часть вторичных частиц остаётся за пределами инструментального объёма и не фиксируется, соответственно энергия первичных нейтрино определяется с большой погрешностью. Российские астрофизики использовали именно трековые события для определения областей неба, откуда пришли нейтрино.

Они также логично предположили, что, если нейтрино действительно возникают в блазарах, то должна наблюдаться их повышенная генерация во время вспышек радиоизлучения блазаров. Однако для обнаружения подобной связи необходимы данные многолетнего мониторинга квазаров в радиодиапазоне. Такими наблюдениями на частотах 1—22 ГГц с конца 1980-х годов занимался Российский радиотелескоп РАТАН-600 Специальной астрофизической обсерватории на Кавказе. Их предоставил Ю. А. Ковалёв. Полный набор данных РАТАН-600 включает 1099 источников, которые наблюдались не менее пяти раз, из них 758 — не менее десяти раз. Их анализ подтвердил: во время вспышек радиоизлучения блазаров детектор фиксировал нейтрино.

Как это всегда бывает в науке, ответ на один вопрос порождает несколько новых вопросов. Определив, какие космические объекты произвели высокоэнергичные нейтрино, исследователи выдвинули на повестку дня вопросы: откуда берутся протоны, участвующие в реакции образования нейтрино, как происходит их ускорение и, наконец, как, собственно, они генерируют нейтрино. Теперь предстоит большая работа по построению физической модели этого процесса. Тем более что рождение нейтрино с разными энергиями может потребовать различных физических условий. Пока же авторы открытия феноменологически проанализировали возможный сценарий возникновения нейтрино с учётом ограничений, накладываемых тем, что этот процесс происходит в центральных областях ярких радиоблазаров, имеющих размер порядка парсека. Для построения работающей количественной модели образования нейтрино требуется гораздо больше исследований.

Как правило, нейтрино высоких энергий рождаются в адронных (протон-протонных, pp) или фотоадронных (протон-фотонных, pγ) взаимодействиях. Астрофизики предполагают, что в ярких центральных областях блазаров pp-взаимодействия подавляются по сравнению с pγ, которое и служит наиболее вероятным каналом образования нейтрино в блазарах. Непосредственно нейтрино высоких энергий возникают при распаде заряженных π-мезонов (пионов), которые появляются как вторичные частицы при взаимодействии энергичных протонов с излучением. Следовательно, ускорение таких протонов и наличие достаточно большого количества фотонов-мишеней служат ключевыми условиями для образования нейтрино. Причём полученный российскими астрофизиками результат меняет понимание механизма образования нейтрино: теперь для этого требуются фотоны с более высокой энергией, чем полагалось до этого. Подобные энергии целевых фотонов слишком высоки для фотонов от аккреционного диска, которые ранее использовались для объяснения генерации нейтрино. Это и связь с радиовспышками указывают на их генерацию в основании джета, где к тому же можно достичь необходимых энергий протонов. Правда, теоретики пока не сошлись во мнении по поводу конкретного механизма ускорения. К тому же важность релятивистских струй в источниках нейтрино следует из самой их ассоциации с блазарами.

Наблюдаемое радиоизлучение блазаров — это синхротронное излучение, испускаемое электронами джета, движущимися с околосветовыми скоростями по траекториям, искривлённым магнитным полем. При этом всегда происходит процесс рассеяния синхротронных фотонов теми же релятивистскими электронами, при котором энергия фотонов возрастает. Он получил название самокомптоновского излучения. Напомним, что эффект Комптона — это рассеяние фотонов на свободных электронах, при котором они передают часть свой энергии электронам. Так что самокомптоновское повышение энергии фотонов представляет собой, по сути, обратный эффект Комптона. Авторы открытия предложили сценарий, в котором именно самокомптоновские фотоны служат мишенями для образования нейтрино. Это и обеспечивает обнаруженную ими связь между радиовспышками блазаров и приходом нейтрино.

То, что предыдущие исследования не выявили связи нейтрино с гамма-излучением блазаров, объясняется их определённой независимостью, рождением в разных областях блазара. Фотоны, участвующие в pγ-взаимодействии, не связаны с наблюдаемым гамма-излучением блазаров, которое, в свою очередь, не связано с самокомптоновским рассеянием и рождается в ещё более компактных областях вблизи центральной сверхмассивной чёрной дыры. Что касается гамма-лучей близких к нейтрино энергий, рождающихся вместе с ними в pγ-взаимодействиях, то они могут создавать электронно-позитронные пары на фоновых фотонах, давая начало так называемому электромагнитному каскаду — процессу, переводящему их на более низкие энергии (в более низкий частотный диапазон), не доступные космической гамма-обсерватории «Ферми». Поэтому гамма-излучение, возникающее при рождении нейтрино в pγ-взаимодействиях, не наблюдается обсерваторией.

Открытие связи нейтрино и радиоквазаров вызвало большой интерес в мире. Уже появилось исследование европейских и американских астрофизиков, подтвердившее его на основании данных радиотелескопов в США и Финляндии. Новые события прихода астрофизических нейтрино теперь будут отслеживаться крупными мировыми радиотелескопами и антенными решётками, в том числе и РАТАН-600. Начинается совместная работа российских учёных с нейтринным экспериментом ANTARES (KM3NeT), оборудование которого располагается в Средиземном море на глубине 2,4 км, что позволяет наблюдать поток нейтрино из южного полушария неба.

13 марта 2021 года официально вступил в строй нейтринный телескоп Baikal-GVD на озере Байкал. В перспективе он будет использовать для работы около кубического километра воды, что сравнимо с объёмом детектора IceCube. Располагаясь в Северном полушарии, «Байкал» будет сквозь землю видеть нейтрино, приходящие из южного полушария неба. Таким образом, на пару с IceCube они будут покрывать всё небо, позволяя получить для анализа полную картину нейтринных событий.

В завершение отметим, что в сентябре 2020 года консорциум семи научных организаций — МФТИ, ФИАН, ИЯИ РАН, ОИЯИ, САО РАН, ГАИШ МГУ и Иркутского государственного университета — выиграл грант Минобрнауки по теме «Нейтрино и астрофизика частиц». В его рамках около 100 специалистов будут работать над решением вопроса о происхождении нейтрино и 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 «Ковёр-3» Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН (Северный Кавказ).

Иллюстрации предоставлены пресс-службой МФТИ.

 

Читайте в любое время

Статьи по теме

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее

Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки