Космическая сенсация. Что увидели ученые в Млечном Пути

МОСКВА, 8 дек — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. Российские астрофизики зарегистрировали поток нейтрино, рожденных в нашей Галактике. Ранее предполагали, что в нейтринном излучении есть частицы от внутригалактических источников, но не могли их надежно идентифицировать. Теперь удалось отделить их от остальных и оценить количество. Оказалось, что на нейтрино Млечного Пути приходится около одной трети всех высокоэнергетических частиц, достигающих Земли.

Как ловят космические нейтрино

Даже массу этой частицы ученые до сих пор не знают, настолько она маленькая. Нейтрино беспрепятственно пересекают Вселенную, практически не взаимодействуя с веществом. Сквозь предметы, людей и всю планету их пролетают триллионы в секунду.

Частицы с низкими энергиями (десятки мегаэлектронвольт) приходят к нам от Солнца (солнечные нейтрино), рождаются в реакциях распада в недрах нашей планеты (геонейтрино) или в ядерных реакторах. Из дальнего космоса — высокоэнергетичные, гигаэлектронвольтные и больше. Ученые предполагают, что многие из них образовались еще в момент Большого взрыва, другие — результат ядерных реакций в звездах, планетах и других космических процессов, в частности столкновения черных дыр.

Высокоэнергетические нейтрино особенно интересуют физиков. К сожалению, их не обнаружить напрямую: они лишены электрического заряда, а значит, не ионизируют материалы, через которые проходят.

Для регистрации нейтрино используют установки с носителем большой массы, так как, несмотря на огромное общее количество, только некоторые из них оставляют след. Иногда — очень редко — нейтрино взаимодействует с электроном, передавая ему часть энергии. Это напоминает упругое столкновение бильярдных шаров.

Электрон, получив некоторую начальную скорость, теряет ее в ходе взаимодействия с молекулами среды. Часть энергии при этом излучается в виде фотонов, разлетающихся во все стороны. Эти фотоны регистрируют тысячи сенсоров, а специальные приборы — фотоэлектронные умножители — позволяют оценить энергию, переданную электрону, и определить точку, где произошло столкновение.

С середины нулевых строят нейтринные обсерватории, способные фиксировать космические нейтрино. Сейчас таких установок в мире три. Американская IceCube находится в Антарктиде, глубоко в толще льда в районе Южного полюса. У России есть подводный Байкальский нейтринный телескоп, известный также как проект Baikal-GVD. Французский ANTARES работает на глубине 2400 метров в Средиземном море. Это часть крупного европейского проекта KM3NeT, к которому присоединятся итальянский NEMO и греческий NESTOR. Нейтринные обсерватории оборудуют глубоко под землей, в толще льда или воды, чтобы изолировать детекторы от фонового излучения, в том числе космического.

© Фото : Фелипе Педрерос

Подледная нейтринная обсерватория IceCube в Антарктиде

Рожденные квазарами

Впервые нейтрино высоких энергий зарегистрировали 29 января 2006-го на установке IceCube. С тех пор их фиксировали неоднократно, но где они рождаются, было непонятно. Искали в гамма-лучах, поскольку считалось, что эти частицы должны возникать вместе с гамма-излучением.

В 2020-м российские астрофизики из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), Московского физико-технического института (МФТИ) и Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) во главе с член-корреспондентом РАН Юрием Ковалевым выявили связь между высокоэнергетическими нейтрино и вспышками квазаров — активных центров далеких галактик, где сверхмассивные черные дыры поглощают окружающее вещество. Ученые предположили, что при падении вещества на черную дыру часть потока частиц выбрасывается обратно, ускоряется и рождает нейтрино, которые затем со скоростью света летят сквозь Вселенную.

Эту гипотезу проверили на данных радиоастрономического телескопа РАТАН-600, расположенного на Северном Кавказе. Действительно, оказалось, что нейтрино сверхвысоких энергий — более 200 тераэлектронвольт — образуются в квазарах с массивными черными дырами, аккреционными дисками и выбросами очень горячего газа.

Через год та же группа физиков пришла к выводу: все космические нейтрино, даже с энергией в десятки тераэлектронвольт, порождаются квазарами. До этого думали, что для возникновения частиц, энергия которых различается на два-три порядка, нужны разные физические условия.

CC BY 3.0 / The European Physical Journal Conferences /

Схема нейтринной обсерватории IceCube

Галактические нейтрино

Недавно ученые из IceCube Collaboration обнаружили эмиссию нейтрино высоких энергий из активной галактики NGC 1068 в созвездии Кита, также известной как Messier 77, — одной из наиболее изученных.

Но настоящую сенсацию произвела очередная публикация российских ученых, сумевших выделить из общего потока космических нейтрино те, что из нашей Галактики. А началось все с единичного события.

"В Баксанской нейтринной обсерватории зафиксировали вспышку галактического источника одновременно с приходом нейтрино высокой энергии, зарегистрированным IceCube, — рассказывает один из участников исследования член-корреспондент РАН Сергей Троицкий из ИЯИ РАН. — Это было первым свидетельством того, что нейтрино в галактических источниках действительно рождаются. Но одно нейтрино — не доказательство. Могло быть простое совпадение".

Чтобы отличить нейтрино Млечного Пути от частиц из других галактик, физики создали специальный алгоритм и обработали его на данных с IceCube. Выяснилось, что около трети летящих к нам из космоса высокоэнергетических нейтрино происходят от внутригалактических источников. Если точнее — 28 процентов потока с энергиями больше 200 тераэлектронвольт. Причем большая часть сосредоточена в достаточно широкой области вблизи галактической плоскости. С чем это связано, еще предстоит разобраться.

© Y. Y. Kovalev et al. / The Astrophysical Journal Letters, 2022

Направления прихода 70 изученных событий IceCube (белые точки), наложенные на гамма-карту всего неба. Цвет на карте отражает интенсивность потока гамма-излучения с энергиями выше 1 гигаэлектронвольт, наблюдаемого космическим гамма-телескопом Fermi. Яркое свечение — плоскость Галактики. Черной звездой отмечен ее центр

"Мы задались вопросом, приходит ли на Землю больше нейтрино от плоскости Галактики, чем с других направлений, — объясняет другой автор статьи, кандидат наук из ФИАН Александр Плавин. — Аккуратно собрали все случаи регистрации высокоэнергетических нейтрино за десять лет наблюдений и увидели в них Млечный Путь. Уровень достоверности — 99,996 процента, достаточно редкий в нейтринной астрофизике, где много неопределенностей и мало качественных данных".

Ученые предполагают, что, по крайней мере, часть галактических нейтрино высоких энергий возникает в результате взаимодействия космических лучей с диффузным веществом и излучением в Млечном Пути.

"Новые, более современные нейтринные эксперименты в Северном полушарии — Baikal-GVD и KM3NeT — позволят подробнее изучить область галактического центра, — отмечает Юрий Ковалев. — А пока, ориентируясь на данные IceCube и Baikal-GVD, мы с уверенностью говорим, что нейтринное небо не такое простое — большой вклад в поток вносят источники совершенно разных классов, как галактические, так и внегалактические".

Астрофизики надеются, что дальнейшие наблюдения за внутригалактическим нейтринным излучением помогут лучше понять происхождение и устройство нашей Галактики.

© NASA, ESA & A. van der Hoeven

Фото спиральной галактики Messier 77, сделанное космическим телескопом "Хаббл"