Астрономы, возможно, определили глубокое космическое происхождение таинственной высокоэнергетической частицы. Крошечные частицы, известные как нейтрино, похоже, прилетают из гиперактивной черной дыры, расположенной в 4-х миллиардах световых лет от нас. Впервые исследователи определили возможное происхождение одного из этих нейтрино, что приблизило ученых к определению объектов, излучающих эти странные, заполняющие Вселенную легкие частицы.

В сентябре, работающие вблизи Южного полюса астрономы, обнаружили присутствие высокоэнергетических нейтрино в антарктическом льду. Эти быстро движущиеся частицы часто пролетают прямо сквозь объекты, такие как наша планета, не оставляя следов своего пребывания. Но в этот раз нейтрино врезалсь в лед, оставив след, который исследователи смогли измерить с помощью обсерватории IceCube. Затем команда быстро мобилизовалась и сосредоточилась на участке неба, со стороны которого прилетела частица.

астрономы

В этом участке астрономы нашли возможного виновника излучения нейтрино: сверхактивную галактику с супермассивной черной дырой в ее центре. Эта галактика фактически известна как блазар, и ядро ее черной дыры извергает излучение в направлении Земли. Открытие служит убедительным доказательством того, что нейтрино возникло из этой черной дыры. Она огромна, поскольку астрономы никогда не могли точно определить потенциальное место рождения таких высокоэнергетических частиц. Но теперь блазары могут стать перспективными местами для поиска нейтрино, подобных этому в будущем.

Владея информацией о том, откуда берутся нейтрино, ученые могут использовать их в качестве инструмента для исследования космоса. Нейтрино, как полагают, возникают внутри некоторых из самых экстремальных объектов во Вселенной, таких как умирающие звезды, черные дыры и сталкивающиеся галактики. Подтвердив источники нейтрино, астрономы могут затем использовать эти частицы так же, как медики используют рентгеновские лучи, чтобы заглянуть внутрь человеческого тела.

«Наблюдая за нейтрино, мы можем узнать больше о том, что происходит внутри этих объектов. Это может многое добавить к нашему знанию об этих объектах, знания о которых по-прежнему остаются поверхностными», – объяснил Дорин Уильямс, адъюнкт-профессор физики и астрономии в Университете Алабамы и один из членов команды IceCube, который сделал открытие.

астрономы

Однако использование силы нейтрино сопряжено с трудностями, поскольку они считаются одними из самых незаметных частиц во Вселенной. Эти частицы — самые легкие из известных науке фундаментальных, с массой чуть выше нуля. Но в отличие от других частиц, таких как электроны или протоны, нейтрино не имеют заряда, поэтому на них не влияют такие вещи, как магнитные поля. На самом деле, они почти ничего не затрагивают. Нейтрино могут путешествовать сквозь Вселенную, охватывая огромные расстояния и не отклоняясь при этом от курса. Они настолько малы, что просто проходят через планеты, звезды и галактики, словно миниатюрные призраки. Они проходят через каждого из нас прямо сейчас; по оценкам, триллионы нейтрино проходят через тело человека каждую секунду.

Но недостаток размера нейтрино компенсируется энергией. Астрономы полагают, что нейтрино создаются во время сильных энергетических процессов, таких как реакции ядерного синтеза, которые посылают эти частицы наружу со скоростью, близкой к скорости света. Поэтому все, от взрыва звезд до ядерных бомб, может создать эти неуловимые маленькие объекты. Считается также, что большинство нейтрино во Вселенной были созданы сразу после Большого Взрыва и теперь путешествуют через космос.

До сегодняшнего дня ученые знали о трех разных источниках нейтрино, регулярно излучавшие их на Землю. Ближайшим основным источником этих частиц является Солнце. Также иногда получается измерить те частицы, которые проходят сквозь атмосферу. Другие виды энергетических частиц из-за пределов нашей галактики, известные как космические лучи, заставляют нашу атмосферу разрушать молекулы на куски и создавать ливни нейтрино над Землей. И только однажды в 1987 году астрономы обнаружили излучение нейтрино, исходящее от сверхновой звезды, расположенной за пределами нашей галактики.

астрономы

Поскольку нейтрино очень маленькие, для обнаружения этих частиц требуется специальный детектор. Одним из лучших объектов для этой цели является обсерватория IceCube Neutrino у Южного полюса. Она состоит из тысяч светочувствительных труб, встроенных в ледниковый щит и способных измерять очень редкие нейтрино, которые фактически сталкиваются с Землей.

«У них очень небольшая вероятность взаимодействия. Вот почему нам пришлось построить такой крупный инструмент на Южном полюсе», – говорит Эрик Блауфус, профессор физики в Университете штата Мэриленд и член команды разработчиков IceCube.

Часто нейтрино не только проходят прямо сквозь планету, но и отрывают часть атома в антарктическом льду. Когда это происходит, частица в основном разрушает ядро атома, создавая ливень синего света, который проходит через прозрачный лед. Брызги этого потока как раз и регистрирует детектор. В зависимости от следа, IceCube может определить энергию нейтрино и направление движения.

Обсерватория IceCube планировала изучать нейтрино из атмосферы. Но в 2013 году астрономы заметили, что некоторые частицы были в миллионы раз более энергичными, чем те, которые производились Солнцем или даже те, что были найдены в 1987 году. Эти высокоэнергетические нейтрино попадались реже других видов: по оценкам IceCube, они регистрируют около десяти частиц этого типа каждый год. Исследователи подозревали, что эти нейтрино приходят далеко из-за пределов Солнечной системы и галактики, но у них не было доказательств.

астрономы

Зарегистрированная в сентябре частица была одним из этих высокоэнергетических типов. И когда астрономы обнаружили ее, команда немедленно отправила предупреждение другим телескопам, чтобы узнать, смогут ли они найти источник частицы. IceCube показала другим исследователям ту часть неба, что вызвала нейтрино, тем самым давая понять, куда направлять свои телескопы. Поиском источника занималось около 20 обсерваторий. Две из них, космический телескоп NASA и телескоп MAGIC на Канарских островах, поймали большой всплеск высокоэнергетических гамма-лучей, исходящих от блазара в указанной части неба. Выводы показали, что блазар во время обнаружения излучал высокэнергетические материи, и он вполне мог излучать нейтрино.

Затем команда IceCube решила изучить свои архивы, чтобы узнать, есть ли у них какие-либо подтверждающие эти факты доказательства. Они обнаружили, что с 2014 по 2015 год детектор зарегистрировал множество нейтрино, исходящих из этой же области неба. Все это не доказывает гарантированно, что блазар является их источником, но на данный момент это лучшее объяснение.

астрономы

«Нам нужно будет сделать больше наблюдений, чтобы получить более статистически значимые результаты. Но все это очень интересно, потому что это независимые проверки и мы никогда раньше не наблюдали связь между гамма-лучами и нейтрино», – сказал Уильямс.

Команда IceCube хочет продолжать в том же духе, предупреждая другие легкие телескопы и указывая им те направления, откуда приходят необычные нейтрино. Этот способ называется многоканальная астрономия и основан на эффекте удвоения и использования двух разных видов сигналов – света и нейтрино, для подтверждения источников в небе.

«Используя способность сосредоточиться на определенном участке неба в определенное время, мы увеличиваем чувствительность объекта и тем самым увеличиваем шансы на обнаружение», – говорит Дерек Фокс, адъюнкт-профессор астрономии в Университете штата Пенсильвания.

Такой подход может увеличить шансы найти источники нейтрино в будущем. И, возможно, когда-нибудь астрономы смогут увидеть отдаленные объекты по-новому, изучая посылаемые ими на Землю странные фундаментальные частицы.

«Люди исследовали Вселенную всю свою историю, используя для этого свет. Теперь мы просто достигли той точки сейчас, в 2017 и 2018 годах, когда мы сделаем естественным обнаружение космических источников путями, свет не использующими», – закончил Фокс.