Высокоэнергетические и с трудом поддающиеся обнаружению, нейтрино проходят в космосе миллиарды световых лет, прежде чем достигнут нашей планеты. Хотя известно, что эти элементарные частицы рождаются где-то глубоко во Вселенной, вдали от нас, их точное происхождение до сих пор остается неустановленным. В новом исследовании международная группа проливает свет на один из аспектов этой загадки – нейтрино могут формироваться блазарами, ядрами галактик, содержащими сверхмассивные черные дыры (СМЧД).
Атмосфера Земли подвергается постоянной бомбардировке космическими лучами. Эти лучи состоят из электрически заряженных частиц с энергиями до 10^20 электронвольт. Это в миллион раз превышает максимальную энергию, достигнутую в самом мощном на Земле ускорителе частиц, Большом адронном коллайдере, расположенном близ Женевы. Эти экстремально высокоэнергетические частицы приходят к нам из далекого космоса, где они перед этим проходят расстояния в миллиарды световых лет. Но где рождаются космические лучи и получают эти гигантские скорости, с которыми проходят потом через всю Вселенную? Эти вопросы не дают покоя астрофизикам на протяжении более чем ста лет.
Там, где рождаются космические лучи, происходит и формирование нейтрино. Нейтрино представляют собой нейтральные частицы, которые с трудом поддаются обнаружению. Они почти не имеют массы и слабо взаимодействуют с материей. Они несутся по Вселенной, беспрепятственно проходя сквозь галактики, планеты и даже человеческое тело. «Астрофизические нейтрино формируются исключительно в ходе процессов, включающих ускорение космических лучей», - сказала профессор астрофизики Сара Бусон (Sara Buson) из Вюрцбургского университета им. Юлиуса и Максимилиана, (Германия). Именно поэтому нейтрино являются уникальным сигналом, позволяющим отследить происхождение космических лучей во Вселенной.
Несмотря на большое количество данных, собранных астрофизиками, связь между высокоэнергетическими нейтрино и порождающими их астрофизическими источниками не была твердо установлена на протяжении многих лет. Сара Бусон всегда считала это большим вызовом для себя. В 2017 г. она с коллегами впервые привела в статье для журнала Science убедительные доказательства того, что блазар под названием TXS 0506+056 может оказаться источником нейтрино. Блазары представляют собой активные ядра галактик, содержащие СМЧД, которые могут испускать больше света, чем вся родительская галактика вместе взятая. Статья вызвала большой резонанс в астрофизическом сообществе.
После этого первого, вдохновляющего шага, в июне 2021 г. группа профессора Бусон запустила амбициозный многоканальный исследовательский проект при поддержке Европейского исследовательского совета. Он включает анализ различных видов космических сигналов (в т.ч. нейтринного сигнала). Основной целью является выяснение происхождения астрофизических нейтрино.
В новом исследовании представлен первый успех данного проекта – Сара Бусон и ее группа показывают с использованием методов численного моделирования устойчивую связь между блазарами и источниками астрофизических нейтрино. В своей работе команда использовала детектор нейтрино под названием IceCube Neutrino Observatory, расположенный в Антарктике, а также каталог BZCat, один из самых подробных на сегодня каталогов блазаров.