В зеркале прессы

Где рождаются нейтрино

Ученые из ФИАН, МФТИ и ИЯИ РАН установили, что нейтрино высоких энергий рождаются вблизи черных дыр в далеких квазарах. Этим работам посвящены обзоры, опубликованные Астрокосмическим центром ФИАН и пресс-службой МФТИ, а также публикация в газете "Троицкий вариант". По просьбе редакции еженедельника "Дубна" это научное событие комментирует доктор физико-математических наук заместитель директора Лаборатории ядерных проблем имени В.П.Джелепова ОИЯИ Дмитрий Наумов.

Работа российских ученых А.В.Плавина, Ю.Ю.Ковалева, Ю.А.Ковалева и С.В.Троицкого, опубликованная в астрофизическом журнале, посвящена выяснению одного из самых интригующих вопросов - происхождения нейтрино сверхвысоких энергий, следы которых ищет строящийся на Байкале нейтринный телескоп. Где-то во Вселенной действуют природные ускорители частиц, разгоняющие их до огромных энергий, недостижимых для земных ускорителей.

Ученые давно подозревали, что активные галактические ядра (АГН) - хорошие кандидаты в такие ускорители. Но надежных свидетельств этому почти нет. Авторы статьи, взглянув на проблему с очень необычной стороны ("посмотрели" на АГН в радиодиапазоне), обнаружили серьезное указание (вероятность случайного совпадения 0,2%) на то, что именно в АГН могут рождаться нейтрино сверхвысоких энергий. Байкальский и другие нейтринные телескопы, радиоинтерферометры дадут новый импульс этим исследованиям, что поможет ученым разобраться в загадке происхождения таких нейтрино и лучше понять процессы эволюции Вселенной.

Телескоп РАТАН-600 помогает разобраться, где рождаются нейтрино.
Иллюстрация Дарьи Сокол, пресс-служба МФТИ.

* * *

Ученые из ФИАН, МФТИ и ИЯИ РАН установили, что нейтрино высоких энергий рождаются вблизи черных дыр в далеких квазарах.

Российские ученые подошли к разгадке проблемы, которая в последние годы занимает умы физиков всего мира. Астрофизики сравнили данные, полученные на нейтринном телескопе IceCube в Антарктиде, с радиоастрономическими наблюдениями квазаров. В результате удалось найти связь между космическими нейтрино и вспышками в центрах далеких активных галактик. Согласно современным представлениям ученых, в центрах таких галактик расположены сверхмассивные черные дыры. Во время падения вещества на черную дыру часть потока частиц выбрасывается обратно, ускоряется и рождает нейтрино, которые затем со скоростью света летят через всю Вселенную.

Нейтрино - мельчайшие и загадочные элементарные частицы. Даже их массу ученые до сих пор не знают, настолько она маленькая. Нейтрино свободно проникают сквозь предметы, людей и даже нашу планету. Нейтрино высоких энергий могут рождаться только с помощью протонов, разогнавшихся почти до скорости света. Нейтринная обсерватория IceCube, начавшая работу в 2010 году, регистрирует такие нейтрино и измеряет их энергии и направления прихода. Астрофизики решили сфокусироваться на анализе происхождения нейтрино сверхвысоких энергий - более 200 триллионов электрон-вольт. Авторы сравнили измерения телескопа IceCube с многочисленными наблюдениями неба в радиодиапазоне и установили, что эти нейтрино образуются в центрах квазаров с массивными черными дырами, аккреционными дисками и выбросами очень горячего газа. Более того, найдена связь между рождением нейтрино и вспышками радиоизлучения в этих активных галактиках.

"Наш результат говорит о том, что нейтрино высоких энергий рождаются в активных ядрах галактик, причем именно в моменты вспышек радиоизлучения. Поскольку и эти частицы, и радиоволны распространяются по Вселенной со скоростью света, мы "видим" их на Земле одновременно", - рассказал аспирант Александр Плавин из Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН) и Московского физико-технического института (МФТИ). Далеко не каждому везет получить такой результат уже на старте научной карьеры.

Статья российских астрофизиков опубликована в авторитетном журнале Astrophysical Journal (работа также доступна из архива препринтов). В своей статье ученые на первом этапе показали, что направления, откуда на Землю приходят нейтрино сверхвысоких энергий, совпадают с положением ярких квазаров по данным сети радиотелескопов всего мира. На втором этапе физики решили проверить гипотезу о том, что нейтрино сверхвысоких энергий появляются в галактиках во время вспышек радиоизлучения. Для этого они использовали данные российского телескопа РАТАН-600, расположенного на Северном Кавказе в Карачаево-Черкессии. Всего было проанализировано около полусотни нейтрино высоких энергий, зарегистрированных IceCube. Ранее источники таких нейтрино искали преимущественно в гамма-лучах, поскольку считалось, что нейтрино должны рождаться вместе с гамма-излучением.

"До нас ученые искали источник нейтрино высоких энергий, что называется, "под фонарем". Мы же решили проверить нестандартную идею, не особо рассчитывая на успех. Но нам повезло! Многолетние совместные наблюдения на международных решетках радиотелескопов и замечательном российском РАТАНе позволили получить этот интереснейший результат. Именно радиодиапазон оказался ключевым для обнаружения источников нейтрино", - говорит Юрий Ковалев (ФИАН и МФТИ).

"Поначалу результат мне показался "слишком хорошим", но проведя детальный анализ данных и многочисленные проверки, мы подтвердили явную связь нейтринных событий с радиоизлучением, которую затем проверили по многолетним измерениям вспышек излучения на радиотелескопе РАТАН-600 Специальной астрофизической обсерватории. Вероятность того, что этот результат случайный, составляет всего 0,2 процента. Это большой успех в нейтринной астрофизике, и теперь наше открытие требует теоретического объяснения", - заключает Сергей Троицкий (ИЯИ РАН).

Ученые собираются проверять свой результат и разобраться с механизмом рождения нейтрино в квазарах с помощью данных телескопа Baikal-GVD, который в настоящее время достраивается на Байкале и уже начал набор данных. Как в IceCube, так и в Baikal-GVD используются водные "черенковские" детекторы: большой объем воды (льда) позволяет увеличить число детектируемых нейтрино и одновременно защититься от случайных срабатываний детектора. Понятно, что без продолжающего свои наблюдения далеких галактик РАТАН-600 близ известного многим Архыза тоже никак не обойтись.

АКЦ ФИАН и пресс-служба МФТИ

* * *

Где рождаются нейтрино? - "В ядрах активных галактик", - так ответила на давно беспокоивший астрофизиков вопрос группа российских ученых из Астрокосмического центра ФИАН (АКЦ ФИАН), Московского физико-технического института (МФТИ) и Института ядерных исследований (ИЯИ РАН). Александр Плавин, Юрий Ковалев-мл., Юрий Ковалев-ст. и Сергей Троицкий рассказали ТрВ-Наука о сделанном ими открытии.

Нейтрино - трудноуловимые частицы, настолько легкие, что даже их массу до сих пор не удалось измерить. Они легко проходят через нас, через Землю и через любые другие препятствия. Однако чувствительные детекторы могут улавливать нейтрино, которые прилетают к нам из далекого космоса. Уже полвека регистрируются такие частицы, рожденные внутри Солнца. Оказалось, через каждого из нас их пролетает миллиарды в секунду. Намного более редкие, но и более энергичные, нейтрино достигают нас от сверхновых звезд - большая часть энергии от взрыва звезд уносится именно нейтрино.

Оптический модуль, установленный на нейтринном телескопе Baikal-GVD. Фото ИЯИ РАН.

Самые энергичные нейтрино наблюдаются такими современными нейтринными телескопами, как IceCube на Южном полюсе и детектор на Байкале (Baikal-GVD, основные научные организации - ОИЯИ и ИЯИ). Регулярно обнаруживаются частицы, несущие энергию в несколько петаэлектронвольт (1 ПэВ - единица с пятнадцатью нулями электронвольт). Откуда они приходят, до недавнего времени было неизвестно, и многочисленные поиски источников среди ярких объектов на небе или среди мощных вспышек не давали убедительного результата.

Как работают нейтринные телескопы? Они используют планету Земля для фильтрации приходящих частиц. Нейтрино, испытывающие только слабое и гравитационное взаимодействие, легко проходят через Землю. Обнаружить их удается во льду на Южном полюсе или в воде озера Байкал. В результате такого взаимодействия рождаются мюоны, они пролетают через лед и воду со скоростью выше, чем скорость света в данной среде. В итоге появляется так называемое излучение Вавилова-Черенкова в видимом свете. И вот эти всполохи света регистрируют фотодетекторы, позволяющие получить для анализа энергию и направление прихода нейтрино, а также момент регистрации этих частиц. Понятно, что эти данные измеряются с какой-то ошибкой. И как всегда в астрономии, точность определения положения на небе (или направления прихода - в случае нейтрино) критически важна. Далее мы еще вернемся к этому вопросу.

Итак, мы сфокусировались на нейтрино, имеющих самую большую энергию, и смогли найти, где они рождаются. Почему это важно и интересно? Дело в том, что нейтрино сверхвысоких энергий (вплоть до энергии хоккейной шайбы, летящей со скоростью 100 км/ч), скорее всего, рождаются в результате взаимодействия релятивистских протонов друг с другом или с излучением. А протон ускорить почти до скорости света очень сложно, ведь это массивная частица. То есть нейтрино высоких энергий - ключик к космическим суперколлайдерам!

Оказалось, что многие нейтрино высоких энергий (мы анализировали энергии больше 0,2 ПэВ) рождаются в самых центрах квазаров, вблизи сверхмассивных черных дыр и релятивистских выбросов вещества из них. Значит, там имеются подходящие условия и энергии для образования таких нейтрино: есть протоны, ускоренные почти до скорости света.

Ледяные торосы на озере Байкал, образовавшиеся из-за сильного ветра, сломавшего ледяной покров водоема.
За все 40 лет байкальских экспедиций исследователи столкнулись с таким явлением впервые.
Фото Б.Шайбонова (ОИЯИ).

Основная трудность в установлении источников нейтрино - слабое угловое разрешение современных детекторов по сравнению с привычными астрономическими телескопами - типичная погрешность измерения направлений на небе и у IceCube, и у Байкальского телескопа больше градуса. В участки такого размера попадает сразу много далеких космических объектов, и достоверно понять, какой из них ответственен за нейтрино, сложно.

Теоретические предсказания того, что активные галактики являются источниками нейтрино, делались уже давно. Предполагалось, что нейтрино рождаются в их ядрах или на фронтах ударных волн в плазменных облаках на расстоянии килопарсеков от центра. Однако экспериментально это никак не удавалось подтвердить.

В центрах активных галактик "сидят" массивные черные дыры и ускоряют падающие на них легкие частицы почти до скорости света. Последние выбрасываются в виде наблюдаемых астрономами джетов. Причем, если джет смотрит прямо на наблюдателя, астрономы называют такую галактику квазаром или блазаром. Но могут ли джеты так же ускорить массивные протоны? Напомним читателям, что протон почти в 2 тысячи раз массивнее электрона.

Дело в том, что вместе с нейтрино должны рождаться и фотоны высоких энергий. Соответственно, ученые вели поиск "под фонарем", сравнивая направления прихода нейтрино и фотонов гамма-излучения от квазаров при помощи замечательного космического телескопа Fermi LAT. И тем не менее при массовых попытках по всему небу отождествить приход нейтрино с приходом гамма-фотонов положительный результат получить не удалось. Был найден только один квазар со звучным названием 0506+056. У него обнаружили гамма-всплеск одновременно с приходом нейтрино. Этому уникальному событию Национальный научный фонд США посвятил большую пресс-конференцию в 2018 году. Но у многих коллег оставались сомнения. Аргумент прост: если ждать 10 лет, как минимум один раз может и "повезти".

Мы подошли к этому вопросу с другой стороны: объединили данные сразу по всем нейтрино высоких энергий, которые увидел IceCube, и сравнили их с массовыми и регулярными наблюдениями в радиодиапазоне. Кажется безумием - при чем тут радио с мизерными энергиями его фотонов по сравнению с гигантскими энергиями нейтрино или гамма-квантов? Да и мы сначала не особенно рассчитывали на успех. И все-таки: в радиодиапазоне излучают горячие джеты плазмы, разогнанной до скорости света. Вдруг они помогут? И помогли!

Именно такой подход позволил обнаружить следующую закономерность: оказалось, что самые яркие квазары "предпочитают" находиться на небе вблизи областей, откуда пришли некоторые нейтрино. Их яркость измерена с помощью международных сетей радиотелескопов - так называемых радиоинтерферометров. Они отфильтровывают всё протяженное излучение и видят только наиболее компактное излучение джетов вблизи центральной черной дыры. Получается, что быстрые протоны не успевают далеко уйти от черной дыры и частично теряют свою энергию, создавая при этом нейтрино в каскаде рождений и распадов других нестабильных элементарных частиц (пионов и мюонов).

Но не все так просто. Многие "подозрительно яркие" квазары лежали вблизи от места прихода нейтрино, но недостаточно близко, чтобы объяснить различия в их положениях опубликованными случайными ошибками IceCube. Как так? А дело в том, что лед, в котором взаимодействуют нейтрино в IceCube, неоднороден. И в результате, в дополнение к известным случайным ошибкам, имеются систематические ошибки определения направлений прихода нейтрино. Оценить их крайне сложно. Этой информации в научной литературе очень мало. Мы решили оценить такие ошибки из сравнения направлений прихода нейтрино и направлений на ядра квазаров по их самым точным на сегодня радиокоординатам.

В результате систематическая ошибка была оценена примерно в половину градуса. Мы ждали, что группа IceCube с высоты своего понимания особенностей телескопа выступит с суровой критикой этой оценки. Каково же было наше удивление, когда по результатам научного семинара в группе IceCube мы услышали: "Коллеги, возможно, это наилучший способ оценки наших систематических ошибок".

Фото и иллюстрация нейтринного телескопа IceCube.
IceCube Collaboration/NSF

Дальше - больше. Кажется логичным предположить, что протоны "легче" ускорить во время вспышек, наблюдаемых от квазаров. Для проверки этого предположения мы использовали результаты многолетних наблюдений большой выборки квазаров на российском радиотелескопе РАТАН-600 Специальной астрофизической обсерватории РАН на Северном Кавказе. И действительно, оказалось, что нейтрино предпочитают приходить в те моменты, когда в квазарах наблюдается всплеск радиоизлучения. Такое поведение можно объяснить только тем, что нейтрино образуются в центрах квазаров.

Почему именно радиодиапазон оказался ключевым для обнаружения источников нейтрино в далеком космосе? Здесь свою роль сыграли сразу несколько факторов: и предельно высокая точность определения координат компактных ядер активных галактик с помощью радиоинтерферометров - лучшая во всей астрономии, и отличное покрытие всего неба измерениями с помощью международных сетей радиотелескопов, и регулярные массовые многолетние и многочастотные наблюдения на уникальном РАТАН-600. Но все это не сработало бы без красивого и простого эффекта релятивистской аберрации. В результате этого эффекта квазары выглядят ярче, когда их джеты направлены почти точно на наблюдателя. Таким образом радиоастрономия "автоматически отобрала" те активные галактики на небе, чьи джеты смотрят в нашу сторону. А раз вещество излучающих струй разогнано в направлении на нас, то и нейтрино, рожденное релятивистским протоном, летит в нашу сторону.

Внимательный читатель спросит: а как же сопутствующее гамма-излучение, на поиск которого ориентировались другие исследователи? Радионаблюдения указывают на область рождения нейтрино столь близкую к самому центру галактики, что плотность фотонов там может не позволять этому гамма-излучению ее покинуть: фотоны рассеиваются на фотонах. Скорее всего, происхождение наблюдаемого от блазаров гамма-излучения и их нейтрино связаны друг с другом не напрямую.

На этом работа не прекращается - скорее положено начало применению нейтринной астрономии высоких энергий к изучению космических суперускорителей, квазаров. В ближайшие годы ожидается бурное развитие нейтринных телескопов: в частности, на Байкале достраивается установка нового поколения, которая увеличит чувствительность и точность измерения направлений прихода нейтрино. Новый импульс получают наблюдения квазаров как на РАТАН-600, так и на международных радиоинтерферометрах.

Что нас ждет? Первый результат был получен со значимостью 3 или вероятностью случайного совпадения 0,2 процента. И как наши, так и независимые оценки коллег уже подтвердили этот результат с большей значимостью (что позволит нам выиграть бутылку коньяка в недавнем споре). В ходе дальнейшей работы мы надеемся разобраться, получаются ли наблюдаемые нейтрино при взаимодействии релятивистского протона и фотона или двух релятивистских протонов? Являются ли релятивистские джеты у квазаров электронными или протонными? Где рождаются нейтрино: совсем рядом с черной дырой или чуть дальше - в начале джета? И как же все-таки ускоряются протоны до таких огромных энергий?

Газета "Троицкий вариант", 19.05, 2020