Новая карта Вселенной, нарисованная космическими нейтрино

 Физики наконец-то узнали, откуда взялись хотя бы некоторые из этих частиц высокой энергии, что помогает сделать нейтрино полезными для изучения фундаментальной физики.

С 2012 года нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе ежегодно обнаруживает около дюжины космических нейтрино. (Фото: wired.com)

Из 100 триллионов нейтрино, которые проходят через вас каждую секунду, большинство исходит от Солнца или атмосферы Земли. Но небольшое количество частиц, движущихся гораздо быстрее остальных, пришло сюда из мощных источников, расположенных дальше. На протяжении десятилетий астрофизики искали происхождение этих «космических» нейтрино. Теперь нейтринная обсерватория IceCube наконец собрала их достаточно, чтобы выявить характерные закономерности их происхождения.

Команда представила первую карту Млечного Пути в нейтрино. (Обычно наша галактика наносится на карту фотонами, частицами света.) Новая карта показывает рассеянную дымку космических нейтрино, исходящих со всего Млечного Пути, но, как ни странно, ни один отдельный источник не выделяется. «Это загадка», — сказал Фрэнсис Халзен, руководитель IceCube.

Результаты следуют за исследованием IceCube, проведенным прошлой осенью, также в журнале Science, которое первым связало космические нейтрино с отдельным источником. Оно показало, что большая часть космических нейтрино, обнаруженных обсерваторией, пришла из сердца «активной» галактики под названием NGC 1068. В светящемся ядре галактики материя по спирали превращается в центральную сверхмассивную черную дыру, каким-то образом создавая космические нейтрино. в процессе.

«Это действительно приятно», — сказала Кейт Шольберг, физик нейтрино из Университета Дьюка, которая не участвовала в исследовании. «Они действительно идентифицировали галактику. Это то, что все сообщество нейтринной астрономии пытается сделать вечно».

Определение источников космических нейтрино открывает возможность использования этих частиц в качестве нового исследования фундаментальной физики. Исследователи показали, что нейтрино можно использовать, чтобы открыть трещины в господствующей стандартной модели физики элементарных частиц и даже проверить квантовые описания гравитации.

Однако определение происхождения хотя бы некоторых космических нейтрино — это лишь первый шаг. Мало что известно о том, как активность вокруг некоторых сверхмассивных черных дыр генерирует эти частицы, и пока данные указывают на множество процессов или обстоятельств.

Фото: wired.com

Долгожданное происхождение

Как бы много ни было нейтрино, они обычно проносятся сквозь Землю, не оставляя следов; пришлось построить невероятно огромный детектор, чтобы обнаружить достаточное их количество и распознать закономерности в направлениях, откуда они приходят. IceCube, построенный 12 лет назад, состоит из километровых цепочек детекторов, пробуренных глубоко в антарктическом льду. Каждый год IceCube обнаруживает около дюжины космических нейтрино с такой высокой энергией, что они отчетливо выделяются на фоне дымки атмосферных и солнечных нейтрино. Более сложный анализ может выделить из остальных данных дополнительных кандидатов в космические нейтрино.

Астрофизики знают, что такие энергичные нейтрино могут возникнуть только тогда, когда быстродвижущиеся атомные ядра, известные как космические лучи, сталкиваются с материалом где-то в космосе. И очень немногие места во Вселенной имеют магнитные поля, достаточно сильные, чтобы разогнать космические лучи до достаточной энергии. Гамма-всплески, сверхяркие вспышки света, возникающие, когда некоторые звезды становятся сверхновыми или когда нейтронные звезды сливаются друг с другом, долгое время считались одним из наиболее вероятных вариантов. Единственной реальной альтернативой были активные ядра галактик, или АЯГ — галактики, центральные сверхмассивные черные дыры которых извергают частицы и излучение при попадании внутрь материи.

Теория гамма-всплесков потеряла свою актуальность в 2012 году, когда астрофизики поняли, что, если бы причиной были эти яркие вспышки, мы бы ожидали увидеть гораздо больше космических нейтрино, чем сейчас. Однако спор был далек от разрешения.

Затем, в 2016 году, IceCube начал рассылать оповещения каждый раз, когда обнаруживал космическое нейтрино, что побудило других астрономов направлять телескопы в направлении, откуда оно пришло. В сентябре следующего года они предварительно сопоставили космическое нейтрино с активной галактикой под названием TXS 0506+056, или для краткости TXS, которая испускала вспышки рентгеновских и гамма-лучей одновременно. «Это, безусловно, вызвало большой интерес», — сказал Маркос Сантандер, сотрудник IceCube в Университете Алабамы.

Космических нейтрино собиралось все больше и больше, и на фоне атмосферных нейтрино стал выделяться еще один участок неба. В середине этого пятна находится ближайшая активная галактика NGC 1068. Недавний анализ IceCube показывает, что эта корреляция почти наверняка равна причинно-следственной связи. В рамках анализа ученые IceCube откалибровали свой телескоп и использовали искусственный интеллект, чтобы лучше понять его чувствительность к различным участкам неба. Они обнаружили, что вероятность того, что количество нейтрино, исходящих со стороны NGC 1068, является случайным колебанием, составляет менее 1 из 100 000.

Статистическая уверенность в том, что TXS является космическим источником нейтрино, не сильно отстает, и в сентябре IceCube зарегистрировал нейтрино, вероятно, из окрестностей TXS, которое еще не было проанализировано.

«Мы были частично слепы; как будто мы переключили внимание», — сказал Халцен. «Гонка шла между гамма-всплесками и активными галактиками. Эта гонка решена».

Иллюстрация интерьера IceCube во время обнаружения. Когда нейтрино взаимодействует с молекулами антарктического льда, оно производит вторичные частицы, которые оставляют след синего света, проходя через детектор. (Фото: wired.com)

Физический механизм

Эти два АЯГ кажутся самыми яркими источниками нейтрино на небе, но, как ни странно, они очень разные. TXS — это тип АЯГ, известный как блазар: он выпускает струю высокоэнергетического излучения прямо в сторону Земли. Тем не менее, мы не видим такой струи, направленной в нашу сторону от NGC 1068. Это говорит о том, что различные механизмы в сердце активных галактик могут порождать космические нейтрино. «Источники кажутся более разнообразными», — сказала Юлия Тьюс, астрофизик-теоретик из Рурского университета в Бохуме в Германии и член IceCube.

Хальцен подозревает, что активное ядро NGC 1068 окружает некий материал, который блокирует излучение гамма-лучей при образовании нейтрино. Но о точном механизме можно только догадываться. «Мы очень мало знаем о ядрах активных галактик, потому что они слишком сложны», — сказал он.

Космические нейтрино, возникающие в Млечном Пути, еще больше запутывают ситуацию. В нашей галактике нет очевидных источников таких частиц высоких энергий, в частности, нет активного галактического ядра. Ядро нашей галактики не суетилось уже миллионы лет.

Хальцен предполагает, что эти нейтрино происходят от космических лучей, образовавшихся на более ранней активной фазе нашей галактики. «Мы всегда забываем, что смотрим на один момент времени», — сказал он. «Ускорители, создавшие эти космические лучи, возможно, создали их миллионы лет назад».

Что выделяется на новом изображении неба, так это интенсивная яркость таких источников, как NGC 1068 и TXS. Млечный Путь, наполненный близлежащими звездами и горячим газом, затмевает все другие галактики, когда астрономы смотрят с помощью фотонов. Но когда его рассматривают в нейтрино, «удивительно то, что мы едва можем видеть нашу галактику», — сказал Халзен. «В небе преобладают внегалактические источники».

Оставляя в стороне загадку Млечного Пути, астрофизики хотят использовать более отдаленные и яркие источники для изучения темной материи, квантовой гравитации и новых теорий поведения нейтрино.

IceCube обнаружил десятки нейтрино, исходящие от NGC 1068, также известной как Мессье 77 — активной галактики, расположенной на расстоянии 47 миллионов световых лет от нас. Хорошо изученная галактика, изображенная здесь космическим телескопом Хаббл, видна в большой бинокль. (Фото: wired.com)

Исследование фундаментальной физики

Нейтрино дают редкий намек на то, что более полная теория частиц должна заменить систему уравнений 50-летней давности, известную как стандартная модель. Эта модель описывает элементарные частицы и силы с почти идеальной точностью, но она ошибается, когда дело касается нейтрино: она предсказывает, что нейтральные частицы безмассовые, но это не совсем так.

В 1998 году физики обнаружили, что нейтрино могут менять форму между тремя разными типами; Например, электронное нейтрино, испускаемое Солнцем, может превратиться в мюонное нейтрино к тому времени, когда оно достигнет Земли. А чтобы изменить форму, нейтрино должны иметь массу — колебания имеют смысл только в том случае, если каждый вид нейтрино представляет собой квантовую смесь трех разных (все очень крошечных) масс.

Десятки экспериментов позволили физикам элементарных частиц постепенно составить представление о закономерностях колебаний различных нейтрино — солнечных, атмосферных, лабораторных. Но космические нейтрино, происходящие из АЯГ, позволяют взглянуть на колебательное поведение частиц на гораздо больших расстояниях и при гораздо больших энергиях. Это делает их «очень чувствительным физическим зондом, выходящим за рамки стандартной модели», — сказал Карлос Аргуэльес-Дельгадо, нейтринный физик из Гарвардского университета, который также является частью обширной коллаборации IceCube.

Источники космических нейтрино находятся так далеко, что колебания нейтрино должны быть размыты — куда бы астрофизики ни посмотрели, они ожидают увидеть постоянную долю каждого из трех типов нейтрино. Любые колебания этих долей будут указывать на то, что модели нейтринных колебаний нуждаются в переосмыслении.

Другая возможность заключается в том, что космические нейтрино взаимодействуют с темной материей во время своего путешествия, как предсказывают многие модели темного сектора. Эти модели предполагают, что невидимая материя Вселенной состоит из нескольких типов несветящихся частиц. Взаимодействие с этими частицами темной материи могло бы рассеять нейтрино с определенными энергиями и создать брешь в спектре космических нейтрино, который мы видим.

Или сама квантовая структура пространства-времени может затягивать нейтрино, замедляя их. Группа из Италии недавно заявила в журнале Nature Astronomy, что данные IceCube намекают на это, но другие физики скептически отнеслись к этим утверждениям.

Подобные эффекты будут незначительными, но межгалактические расстояния могут увеличить их до заметного уровня. «Это определенно то, что стоит изучить», — сказал Шольберг.

Аргуэльес-Дельгадо и его коллеги уже использовали диффузный фон космических нейтрино, а не конкретные источники, такие как NGC 1068, для поиска доказательств квантовой структуры пространства-времени. Как они сообщили в журнале Nature Physics в октябре, они ничего не нашли, но их поиски были затруднены сложностью отличить третью разновидность нейтрино — тау — от электронного нейтрино в детекторе IceCube. Что необходимо, так это «лучшая идентификация частиц», — сказал соавтор Теппей Катори из Королевского колледжа Лондона. В настоящее время проводятся исследования, чтобы разделить эти два типа.

Катори говорит, что знание конкретных мест и механизмов источников космических нейтрино могло бы обеспечить «большой скачок» в чувствительности этих поисков новой физики. Точная доля каждого типа нейтрино зависит от модели источника, и самые популярные модели случайно предсказывают, что на Землю прибудет равное количество нейтрино трех видов. Но космические нейтрино до сих пор настолько плохо изучены, что любой наблюдаемый дисбаланс в долях трех типов может быть неправильно истолкован. Результат может быть следствием квантовой гравитации, темной материи или сломанной модели осцилляций нейтрино — или просто все еще размытой физики образования космических нейтрино. (Однако некоторые соотношения могут быть «дымящимся пистолетом» новой физики, — сказал Аргуэльес-Дельгадо.)

В конечном итоге нам нужно обнаружить гораздо больше космических нейтрино, сказал Катори. И похоже, что так и будет. IceCube модернизируется и расширяется до 10 кубических километров в течение следующих нескольких лет, а в октябре детектор нейтрино под озером Байкал в Сибири опубликовал свое первое наблюдение космических нейтрино с помощью TXS.

А глубоко в Средиземноморье десятки цепочек детекторов нейтрино под общим названием KM3NeT крепятся на морском дне с помощью подводного робота, чтобы обеспечить дополнительный вид космического нейтринного неба. «Давление огромно; Море очень неумолимо», — сказал Паскаль Койл, директор по исследованиям Марсельского центра физики элементарных частиц и представитель эксперимента. Но «нам нужно больше телескопов, изучающих небо, и больше совместных наблюдений, и это происходит сейчас».

Источник