Космические нейтрино высоких энергий рождаются квазарами

Ученые из Московского физико-технического института, Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и Института ядерных исследований РАН 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. Об итогах исследования сообщается в совместном пресс-релизе трех институтов.

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. Ранее российские ученые Александр Плавин, Юрий Андреевич и Юрий Юрьевич Ковалёвы и Сергей Троицкий установили связь между происхождением нейтрино наиболее высоких энергий (выше 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.

Для регистрации нейтрино в Антарктиде был построен специальный подледный телескоп — черенковский детектор IceCube, занимающий объем в один кубический километр льда. В России сейчас заканчивают сооружение подводного телескопа Baikal GVD в озере Байкал, объем которого уже приближается к IceCube. На уже начавшей работу части Baikal GVD идет набор данных. IceCube и Baikal GVD изучают, соответственно, северное и южное полушария неба.

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 и 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, они приходят к нам одновременно со вспышками.

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. Astrophysical Journal

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

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». 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.