Российские астрономы выяснили происхождение загадочных космических частиц

Происхождение космических нейтрино сверхвысоких энергий десятилетиями оставалось загадкой для астрономов. Теперь благодаря российским специалистам получены убедительные доказательства того, что эти частицы приходят от сверхмассивных чёрных дыр.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в издании Astrophysical Journal Letters.

Нейтрино и чёрные дыры

Нейтрино — это чрезвычайно лёгкие частицы, не имеющие электрического заряда. Космос буквально заполнен ими: нейтрино примерно столько же, сколько и фотонов. Источники этих частиц многочисленны и разнообразны. Например, они появляются на свет в ходе термоядерных реакций в недрах звёзд и при взрывах сверхновых.

Но некоторые нейтрино имеют невероятно высокую энергию: более 200 тераэлектронвольт. Какие небесные тела могут испускают эти нейтрино сверхвысокой энергии? До самого последнего времени это оставалось загадкой.

Специалисты давно подозревали, что эти "космические гости" приходят из активных ядер галактик, и в частности, от самых мощных из них — квазаров.

Напомним, что в центрах практически всех известных галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры (СЧД). Эти монстры окружены облаками падающего на них вещества. Эта материя генерирует излучение тем интенсивнее, чем более мощный её поток падает на чёрную дыру. Галактические ядра с наиболее мощным излучением называются активными.

Эти объекты являются мощнейшими во Вселенной источниками излучения. Среди них встречаются и блазары — квазары, у которых джеты (струи разогнанных до субсветовой скорости частиц) направлены прямо на Землю. Трудно придумать лучших кандидатов на роль источников высокоэнергичных частиц.

Телескоп "МАСТЕР-Таврида", с помощью которого было сделано открытие.

Фото Владимира Липунова/МГУ.

Слишком много претендентов

Но подтвердить эту гипотезу непросто. Проблема в том, что нейтринные телескопы не очень точно определяют направление, в котором двигаются улавливаемые частицы. Погрешность обычно составляет около квадратного градуса. Даже если принимать в расчёт только блазары, на таком большом участке неба их окажется в среднем несколько штук.

То есть в каждом рассматриваемом квадрате неба такой площади окажется несколько блазаров, не говоря о других активных ядрах. Получается, что их наличие в тех участках неба, откуда пришли нейтрино, не доказывает, что именно эти объекты являются источником загадочных частиц.

Однако не так давно российские учёные обнаружили, что нейтрино сверхвысоких энергий приходят именно из тех квадратов, где находятся самые яркие (в радиодиапазоне) сверхмассивные чёрные дыры. Более того, выяснилось, что в некоторых случаях активное галактическое ядро неожиданно увеличивало свою радиояркость именно в тот момент, когда в этом же районе неба происходил выброс нейтрино. Это послужило первым убедительным доказательством, что источником этих частиц являются всё же СЧД в центрах галактик.

Взаимодействие телескопов сети "МАСТЕР" с детектором нейтрино IceCube.

Иллюстрация Владимира Липунова/МГУ.

Блазар подмигнул учёным

Теперь же другая группа российских специалистов подтвердила этот факт новым способом.

Учёные обнаружили, что блазар TXS 0506+056 "подмигнул" в оптическом диапазоне в очень удачный момент. Это случилось как раз когда в его области неба произошла нейтринная вспышка IceCube-170922A, зафиксированная, как следует из навания, нейтринной обсерваторией IceCube, расположенной в Антарктиде. Вряд ли такое совпадение может быть случайностью.

"Блазар TXS 0506+056, зафиксированный нашим телескопом "МАСТЕР-Таврида", находился в притушенном состоянии. Поле зрения телескопа "МАСТЕР" составляет четыре квадратных градуса и полностью перекрывает квадрат ошибок источника нейтрино, — рассказывает первый автор статьи Владимир Липунов из Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга МГУ, руководитель Глобальной сети роботов-телескопов "МАСТЕР". — Через два часа блеск квазара возрос и вернулся к своему обычному в те дни состоянию. Таким образом, наши наблюдения с огромной достоверностью (50 сигма) показывают, что в [пределах нескольких] минут от регистрации нейтрино блазар находился в аномально притушенном состоянии".

Поясним, что квадрат ошибок — это квадрат неба, из которого пришли нейтрино. Его площадь определяется погрешностью, с которой нейтринный телескоп определяет направление на источник частиц. Чем меньше погрешность (ошибка) инструмента, тем меньше этот квадрат, поэтому он и называется квадратом ошибок.

Специалисты также предложили объяснение тому, почему нейтринная вспышка совпала с потемнением блазара. Они полагают, что видимый свет испускают протоны, разогнанные до субсветовой скорости. Нейтрино же рождается, когда протон уничтожается в столкновении с энергичным гамма-квантом. Таким образом, массовая гибель протонов, породившая поток нейтрино, должна была привести к потемнению блазара, что и произошло.

Напомним, что сеть роботизированных оптических телескопов "МАСТЕР", благодаря которой было сделано открытие, создана специалистами МГУ. Она работает уже почти двадцать лет. Инструменты сети расположены по всему миру, от Благовещенска до Анд.

""МАСТЕР" — единственная в мире полностью роботизированная сеть поисковых телескопов, установленных во всех частях света", — отмечает Липунов.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, что сверхмассивные чёрные дыры в ядрах галактик являются источниками самых мощных во Вселенной потоков вещества и взрывов невообразимой силы.