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 — бо́льшая часть энергии от взрыва звезд уносится именно нейтрино.

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 [1]. Значит, там имеются подходящие условия и энергии для образования таких нейтрино: есть протоны, ускоренные почти до скорости света.

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 тыс. 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 [2]. 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 всё 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».

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 всё это не сработало бы без красивого и простого эффекта релятивистской аберрации [3]. 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 σ или вероятностью случайного совпадения 0,2%. 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?

1. Plavin А., Kovalev Y. Y., Kovalev Y. A., Troitsky S. Observational evidence for the origin of high-energy neutrinos in parsec-scale nuclei of radio-bright active galaxies // The Astrophysical Journal. Vol. 894. N. 2. doi.org/10.3847/1538-4357/ab86bd; arxiv.org/abs/2001.00930
2. Штерн Б. Первый крик нейтринной астрономии // ТрВ-Наука. № 258 от 07.07.2018.
3. ru.wikipedia.org/wiki/Релятивистская_аберрация