Ілюстрація художником блазара, як недавно виявлено, що прискорює нейтрино та космічні промені до величезних швидкостей. Надмасивна чорна діра в центрі накопичувального диска направляє вузький високоенергетичний струмінь речовини в простір, перпендикулярний до диска.
(Зображення: © DESY, Science Communication Lab)
Астрономи вперше простежили нейтрино з високою енергією до його космічного джерела, розгадуючи багатовікову таємницю в цьому процесі.
Нейтрино - майже безмасштабні субатомні частинки, які не мають електричного заряду і тому рідко взаємодіють із оточенням. Дійсно, трильйони цих "привидних частинок" протікають по вашому тілу непомітно і безперешкодно щосекунди.
Більшість цих нейтрино надходить від сонця. Але невеликий відсоток, який може похвалитися надзвичайно високою енергією, з глибокого космосу припав до нашого шиї лісу. Притаманна невловимість нейтрино заважала астрономам чітко визначати походження таких космічних мандрівників - дотепер. [Відстеження нейтрино до його джерела: відкриття в картинках]
Спостереження Нейтрино-обсерваторії IceCube на Південному полюсі та безлічі інших інструментів дозволили дослідникам відстежувати одне космічне нейтрино до далекого блазару, величезної еліптичної галактики з швидко обертовою надмасивною чорною дірою в самому серці.
І є більше. Космічні нейтрино йдуть рука об руку з космічними променями, високоенергетичними зарядженими частинками, які постійно потрапляють на нашу планету. Отже, нові знахідки прикріплюють блазари як прискорювачі принаймні деяких космічних променів, що найбільш швидко рухаються.
Астрономи дивувались цьому, оскільки космічні промені були вперше виявлені, ще в 1912 році. Але їх зірвала зарядка частинок, яка диктує, що космічні промені підтягуються таким чином і що різні об'єкти, коли вони збільшуються через простір. Успіх, нарешті, з’явився завдяки використанню прямолінійної мандрівки частинки марева-мандрівника.
"Ми шукаємо джерела космічних променів більше століття, і нарешті знайшли одне", - розповів Косміс Френсіс Хальцен, провідний вчений в обсерваторії Нейтрино IceCube і професор фізики університету Вісконсін-Медісон. ком. [Хитра фізика: найкрутіші маленькі частинки природи]
Командні зусилля
IceCube, яким керує Національний науковий фонд США (NSF), є відданим мисливцем на нейтрино. Споруда складається з 86 кабелів, які впираються в свердловини, що простягаються приблизно в 1,5 милі (2,5 кілометри) в лід Антарктики. Кожен кабель, у свою чергу, містить 60 цифрових оптичних модулів розміром з баскетболу, оснащені чутливими детекторами світла.
Ці сповіщувачі призначені для підбору характерного синього світла, що випромінюється після взаємодії нейтрино з атомним ядром. (Це світло викидається вторинною частинкою, створеною взаємодією. І якщо вам було цікаво: увесь той лід, що лежить, заважає частинам, крім нейтрино, потрапляти до детекторів і забруднювати дані.) Це рідкісні події; IceCube помічає всього пару сотень нейтрино на рік, сказав Халцен.
Заклад уже зробив великий внесок у астрономію. Наприклад, у 2013 році IceCube здійснив перше в історії підтвердження виявлення нейтрино за межами галактики Чумацький Шлях. У той час дослідники так і не змогли встановити джерело цих високоенергетичних привидних частинок.
22 вересня 2017 року IceCube підхопив ще одне космічне нейтрино. Це було надзвичайно енергійно, набираючи близько 300 тераелектронних вольт - майже в 50 разів більше енергії протонів, що проїжджали через найпотужніший прискорювач частинок Землі - Великий адронний колайдер.
Протягом 1 хвилини після виявлення споруда надіслала автоматичне сповіщення, попереджаючи інших астрономів про знахідку та передаючи координати на ділянку неба, який, здавалося, містив джерело частинки.
Громада відповіла: Майже 20 телескопів на землі та в космосі обшукували цей промінь по електромагнітному спектру, від низькоенергетичних радіохвиль до високоенергетичних гамма-променів. Комбіновані спостереження простежили походження нейтрино до вже відомого блазару під назвою TXS 0506 + 056, який знаходиться приблизно за 4 мільярди світлових років від Землі.
Наприклад, наступні спостереження декількох різних приладів - включаючи космічний телескоп Фермі-гамма-випромінювання Землі на орбіті НАСА та головний атмасферний гамма-знімок Черенковського телескопа (MAGIC) на Канарських островах - виявили потужний сплеск гамма-світла, що спалахує від TXS 0506 + 056. [Всесвіт Гамма-Рей: Фотографії космічного телескопа Фермі NASA]
Команда IceCube також переглянула свої архівні дані та знайшла більше десятка інших космічних нейтрино, які, здавалося б, походять від того ж блазара. Ці додаткові частинки детектори підбирали з кінця 2014 року до початку 2015 року.
"Усі шматки укладаються разом", - заявив Альберхт Карле, старший вчений IceCube та професор фізики UW-Медісон. "Спалах нейтрино в наших архівних даних став незалежним підтвердженням. Разом із спостереженнями інших обсерваторій це переконливі докази, що цей блазар є джерелом надзвичайно енергетичних нейтрино, а отже, високоенергетичних космічних променів".
Про ці результати повідомляється у двох нових дослідженнях, опублікованих сьогодні в Інтернеті (12 липня) у журналі Science. Ви можете знайти їх тут і тут.
Мультисайдерська астрофізика на підйомі
Блазари - це особливий тип надсвітової активної галактики, яка вибухає близнюками струменів світла і частинок, одна з яких спрямована безпосередньо на Землю. (Частково тому блазари здаються нам такими яскравими - тому що ми знаходимося в лінії реактивного вогню.)
Астрономи виявили кілька тисяч блазарів по всьому Всесвіту, жоден з яких досі не виявив, що він перекидає нейтрино у нас, як TXS 0506 + 056.
"У цьому джерелі є щось особливе, і ми повинні розібратися, що це таке", - сказав Халзен для Space.com.
Це лише одне з багатьох питань, що виникають у результаті нових результатів. Наприклад, Халцен також хотів би знати механізм прискорення: як саме блазари отримують нейтрино та космічні промені до такої величезної швидкості?
Халцен висловив оптимізм щодо відповіді на подібні питання у відносно недалекому майбутньому, посилаючись на потужність "багатопосланської астрофізики" - використання щонайменше двох різних типів сигналів для допиту космосу - на показ у двох нових дослідженнях.
Виявлення нейтрино уважно слідує за п'ятами іншого багатозначного віха: У жовтні 2017 року дослідники оголосили, що вони проаналізували зіткнення двох зірок надмірних нейтронів, спостерігаючи як електромагнітне випромінювання, так і гравітаційні хвилі, випромінювані під час драматичної події.
"Епоха багатоамериканської астрофізики тут є", - сказала в тій самій заяві директор NSF Франція Кордова. "Кожен месенджер - від електромагнітного випромінювання, гравітаційних хвиль і тепер нейтрино - дає нам більш повне розуміння Всесвіту та важливих нових поглядів на найпотужніші об'єкти та події на небі".
