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. Подробнее в материале автора РИА Новости Владислава Стрекпоытова.
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.
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.
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.
"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.