Новая карта Вселенной, нарисованная космическими нейтрино.

Физики наконец-то узнали, откуда берутся хотя бы некоторые из этих высокоэнергетических частиц, что делает нейтрино полезными для исследования фундаментальных физических явлений. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Из 100 триллионов нейтрино, проходящих сквозь вас каждую секунду, большая часть поступает из Солнца или атмосферы Земли. Но небольшое количество частиц — тех, которые движутся намного быстрее остальных — прибыло сюда из мощных источников, расположенных дальше. На протяжении десятилетий астрофизики пытались выяснить происхождение этих «космических» нейтрино. Теперь нейтринная обсерватория IceCube наконец собрала достаточное количество этих частиц, чтобы выявить характерные закономерности их происхождения.

В статье, опубликованной сегодня в журнале Science, команда исследователей представила первую карту Млечного пути, построенную на основе нейтрино. (Обычно наша галактика изображается с помощью фотонов, частиц света.) Новая карта показывает диффузную дымку космических нейтрино, исходящую из всей галактики Млечный Путь, но, как ни странно, ни один отдельный источник не выделяется. «Это загадка», — сказал Фрэнсис Халзен, руководитель проекта IceCube.

Результаты подтверждают исследование IceCube, опубликованное прошлой осенью также в журнале Science, которое впервые связало космические нейтрино с конкретным источником. Оно показало, что большая часть космических нейтрино, обнаруженных обсерваторией до сих пор, исходит из ядра «активной» галактики NGC 1068. В светящемся ядре галактики материя спирально движется к центральной сверхмассивной черной дыре, каким-то образом создавая при этом космические нейтрино.

«Это действительно очень приятно, — сказала Кейт Шолберг, физик-нейтринист из Университета Дьюка, которая не принимала участия в исследовании. — Им удалось идентифицировать галактику. Это то, к чему всё сообщество исследователей в области нейтринной астрономии стремилось с незапамятных времён».

Определение источников космических нейтрино открывает возможность использования этих частиц в качестве нового инструмента для исследования фундаментальных физических явлений. Исследователи показали, что нейтрино можно использовать для выявления пробелов в господствующей Стандартной модели физики элементарных частиц и даже для проверки квантовых описаний гравитации.

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

Долгожданное происхождение

Несмотря на свою многочисленность, нейтрино обычно проносятся сквозь Землю, не оставляя следов; для обнаружения достаточного количества нейтрино, чтобы выявить закономерности в направлениях их прилета, потребовалось построить невероятно огромный детектор. IceCube, построенный 12 лет назад, представляет собой километровые цепочки детекторов, вбитых глубоко в антарктический лед. Каждый год IceCube обнаруживает около дюжины космических нейтрино с такой высокой энергией, что они отчетливо выделяются на фоне тумана атмосферных и солнечных нейтрино. Более сложные методы анализа позволяют выделить дополнительные кандидаты в космические нейтрино из остальной части данных.

Астрофизики знают, что такие энергичные нейтрино могут возникать только при столкновении быстро движущихся атомных ядер, известных как космические лучи, с веществом где-то в космосе. И лишь в очень немногих местах во Вселенной есть магнитные поля, достаточно сильные, чтобы разогнать космические лучи до достаточной энергии. Гамма-всплески, сверхъяркие вспышки света, которые происходят, когда некоторые звезды взрываются сверхновыми или когда нейтронные звезды сближаются друг с другом по спирали, долгое время считались одним из наиболее правдоподобных вариантов. Единственной реальной альтернативой были активные галактические ядра, или АГЯ — галактики, центральные сверхмассивные черные дыры которых испускают частицы и излучение при падении вещества.

Теория гамма-всплесков утратила свою актуальность в 2012 году, когда астрофизики поняли, что если бы эти яркие вспышки действительно были причиной, мы должны были бы наблюдать гораздо больше космических нейтрино, чем наблюдаем сейчас. Тем не менее, спор был далек от разрешения.

Затем, в 2016 году, IceCube начал рассылать оповещения каждый раз, когда обнаруживал космическое нейтрино, что побудило других астрономов направить телескопы в направлении его происхождения. В следующем сентябре они предварительно сопоставили космическое нейтрино с активной галактикой TXS 0506+056, или TXS, которая одновременно испускала вспышки рентгеновского и гамма-излучения. «Это, безусловно, вызвало большой интерес», — сказал Маркос Сантандер, сотрудник IceCube из Университета Алабамы.

Собиралось всё больше и больше космических нейтрино, и на фоне атмосферных нейтрино начал выделяться ещё один участок неба. В центре этого участка находится расположенная неподалеку активная галактика NGC 1068. Недавний анализ IceCube показывает, что эта корреляция почти наверняка означает причинно-следственную связь. В рамках анализа учёные IceCube перекалибровали свой телескоп и использовали искусственный интеллект, чтобы лучше понять его чувствительность к различным участкам неба. Они обнаружили, что вероятность того, что количество нейтрино, идущих со стороны NGC 1068, является случайной флуктуацией, составляет менее 1 к 100 000.

Статистически достоверное подтверждение того, что TXS является источником космических нейтрино, не за горами, и в сентябре IceCube зарегистрировал нейтрино, предположительно из окрестностей TXS, которое еще не было проанализировано.

«Мы были частично вслепую; как будто мы включили фокус», — сказал Халзен. «Гонка развернулась между гамма-всплесками и активными галактиками. Эта гонка уже решена».

Физический механизм

Эти два активных ядра галактик, по-видимому, являются самыми яркими источниками нейтрино на небе, однако, что удивительно, они очень разные. TXS — это тип активного ядра галактики, известный как блазар: он испускает струю высокоэнергетического излучения прямо в сторону Земли. Однако мы не видим такой струи, направленной в нашу сторону от NGC 1068. Это говорит о том, что различные механизмы в центре активных галактик могут приводить к появлению космических нейтрино. «Источники, по-видимому, более разнообразны», — сказала Юлия Тьюс, теоретический астрофизик из Рурского университета в Бохуме (Германия) и член IceCube.

Халзен предполагает, что вокруг активного ядра NGC 1068 находится некий материал, блокирующий излучение гамма-лучей при образовании нейтрино. Но точный механизм остается загадкой. «Мы очень мало знаем о ядрах активных галактик, потому что они слишком сложны», — сказал он.

Космические нейтрино, происходящие из Млечного Пути, еще больше усложняют ситуацию. В нашей галактике нет очевидных источников таких высокоэнергетических частиц — в частности, нет активного галактического ядра. Ядро нашей галактики не кипело жизнью миллионы лет.

Халзен предполагает, что эти нейтрино происходят от космических лучей, образовавшихся на более ранней, активной стадии развития нашей галактики. «Мы всегда забываем, что наблюдаем лишь один момент времени, — сказал он. — Ускорители, создавшие эти космические лучи, могли образовать их миллионы лет назад».

На новом снимке неба бросается в глаза интенсивная яркость таких источников, как NGC 1068 и TXS. Млечный Путь, наполненный близлежащими звездами и горячим газом, затмевает все остальные галактики, когда астрономы наблюдают его с помощью фотонов. Но когда его рассматривают в нейтрино, «удивительно, что мы едва можем увидеть нашу галактику», — сказал Хальзен. «На небе преобладают внегалактические источники».

Отложив в сторону загадку Млечного Пути, астрофизики хотят использовать более удаленные и яркие источники для изучения темной материи, квантовой гравитации и новых теорий поведения нейтрино.

Исследование фундаментальной физики

Нейтрино дают редкие подсказки, указывающие на необходимость создания более полной теории частиц, которая должна заменить 50-летнюю систему уравнений, известную как Стандартная модель. Эта модель описывает элементарные частицы и силы с почти идеальной точностью, но она ошибается, когда дело доходит до нейтрино: она предсказывает, что нейтральные частицы безмассовы, но это не так — не совсем.

В 1998 году физики обнаружили, что нейтрино могут менять свою форму, переходя между тремя различными типами; например, электронное нейтрино, испускаемое Солнцем, может превратиться в мюонное нейтрино к моменту достижения Земли. А для того, чтобы менять форму, нейтрино должны обладать массой — колебания имеют смысл только в том случае, если каждый вид нейтрино представляет собой квантовую смесь трех различных (все очень малых) масс.

Десятки экспериментов позволили физикам-частицам постепенно составить картину колебательных паттернов различных нейтрино — солнечных, атмосферных, созданных в лабораторных условиях. Но космические нейтрино, возникающие в активных ядрах галактик, позволяют взглянуть на колебательное поведение частиц на гораздо больших расстояниях и энергиях. Это делает их «очень чувствительным инструментом для исследования физики, выходящей за рамки Стандартной модели», — сказал Карлос Аргуэльес-Дельгадо, физик-нейтрино из Гарвардского университета, который также является участником масштабного проекта IceCube.

Источники космических нейтрино находятся так далеко, что осцилляции нейтрино должны быть размыты — куда бы астрофизики ни смотрели, они ожидают увидеть постоянную долю каждого из трех типов нейтрино. Любые колебания этих долей указывали бы на необходимость пересмотра моделей осцилляций нейтрино.

Другая возможность заключается в том, что космические нейтрино взаимодействуют с темной материей во время своего движения, 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 привело бы к рассеянию нейтрино с определенными энергиями и созданию разрыва в спектре наблюдаемых нами космических нейтрино.

Или же сама квантовая структура пространства-времени может замедлять нейтрино, увлекая их за собой. Недавно группа ученых из Италии в журнале Nature Astronomy заявила, что данные IceCube указывают на подобные явления, однако другие физики скептически относятся к этим утверждениям.

Подобные эффекты были бы незначительными, но межгалактические расстояния могли бы усилить их до обнаруживаемого уровня. «Это определенно стоит изучить», — сказал Шолберг.

Аргуэльес-Дельгадо и его коллеги уже использовали диффузный фон космических нейтрино — а не конкретные источники, такие как NGC 1068, — для поиска свидетельств квантовой структуры пространства-времени. Как они сообщили в журнале Nature Physics в октябре, они ничего не нашли, но их поиски были затруднены сложностью различения третьего типа нейтрино — тау-нейтрино — от электронного нейтрино в детекторе IceCube. Необходима «более точная идентификация частиц», — сказал соавтор Теппей Катори из Королевского колледжа Лондона. В настоящее время ведутся исследования по разграничению этих двух типов.

Катори говорит, что знание конкретных мест и механизмов источников космических нейтрино позволило бы значительно повысить чувствительность этих поисков новой физики. Точная доля каждого типа нейтрино зависит от модели источника, и наиболее популярные модели, по случайному совпадению, предсказывают, что на Землю прибудет равное количество всех трех типов нейтрино. Но космические нейтрино до сих пор настолько плохо изучены, что любой наблюдаемый дисбаланс в долях трех типов может быть неверно истолкован. Результатом может быть следствие квантовой гравитации, темной материи или нарушенной модели нейтринных осцилляций — или просто все еще неясная физика образования космических нейтрино. (Однако некоторые соотношения стали бы «неопровержимым доказательством» новой физики, сказал Аргуэльес-Дельгадо.)

В конечном итоге нам нужно обнаружить гораздо больше космических нейтрино, — сказал Катори. — И, похоже, мы это сделаем. В ближайшие несколько лет IceCube модернизируется и расширяется до 10 кубических километров, а в октябре нейтринный детектор под озером Байкал в Сибири опубликовал первое наблюдение космических нейтрино от TXS.

А в глубинах Средиземного моря десятки цепочек нейтринных детекторов, объединенных под общим названием KM3NeT, закрепляются на морском дне с помощью подводного робота, чтобы обеспечить дополнительный обзор космического нейтринного неба. «Давление огромно; море очень сурово», — сказал Паскаль Койл, директор по исследованиям в Марсельском центре физики элементарных частиц и представитель эксперимента. Но «нам нужно больше телескопов для изучения неба и больше совместных наблюдений, которые сейчас появляются».

Источник: www.quantamagazine.org