Художественная иллюстрация блазара, ускоряющего космические лучи, нейтрино и фотоны до высоких энергий, как это наблюдается в блазарах PeVatron. Кредит: Бенджамин Аменд

Атмосфера Земли постоянно подвергается бомбардировке космическими лучами. Они состоят из электрически заряженных частиц с энергиями до 10 20 электрон-вольт. Это в миллион раз больше, чем энергия, полученная в самом мощном в мире ускорителе частиц, Большом адронном коллайдере недалеко от Женевы. Чрезвычайно энергичные частицы приходят из глубокого космоса, они прошли миллиарды световых лет. Откуда они берут свое начало, что пронзает их во Вселенной с такой огромной силой? Эти вопросы являются одними из самых больших проблем астрофизики на протяжении более века.

Места рождения космических лучей производят нейтрино. Нейтрино — нейтральные частицы, которые трудно обнаружить. Они почти не имеют массы и почти не взаимодействуют с веществом. Они мчатся по вселенной и могут почти бесследно путешествовать по галактикам, планетам и человеческому телу. «Астрофизические нейтрино образуются исключительно в процессах, связанных с ускорением космических лучей», — объясняет профессор астрофизики Сара Бузон из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) Вюрцбурга в Баварии, Германия. Именно это делает эти нейтрино уникальными посланниками, прокладывающими путь к обнаружению источников космических лучей.

Шаг вперед в спорных дебатах

Несмотря на огромное количество данных, собранных астрофизиками, связь нейтрино высоких энергий с астрофизическими источниками, которые их породили, долгие годы оставалась нерешенной проблемой. Сара Бусон всегда считала это серьезной проблемой. В 2017 году исследователь и его сотрудники впервые представили блазар (TXS 0506+056) в качестве предполагаемого источника нейтрино в журнале Science. Блазары — это активные галактические ядра, питаемые сверхмассивными черными дырами, которые излучают гораздо больше радиации, чем вся их галактика. Публикация вызвала научную дискуссию о том, действительно ли существует связь между блазарами и нейтрино высоких энергий.

После этого первого обнадеживающего шага в июне 2021 года группа профессора Бусона начала амбициозный исследовательский проект с несколькими мессенджерами при поддержке Европейского исследовательского совета. Это включает в себя анализ различных сигналов («посланников», например, нейтрино) из Вселенной. Основная цель - пролить свет на происхождение астрофизических нейтрино, возможно, установив блазары в качестве первого источника внегалактических нейтрино высокой энергии с высокой степенью достоверности.

Сейчас проект демонстрирует свой первый успех: в журнале Astrophysical Journal Letters Сара Бусон вместе со своей группой, бывшим постдоком Раньером де Менезесом (JMU) и с Андреа Трамасере из Женевского университета, сообщает, что блазары могут быть с уверенностью связаны с астрофизическими нейтрино с беспрецедентной степенью достоверности.

Выявление роли блазаров

Андреа Трамасере — один из специалистов по численному моделированию процессов ускорения и механизмов излучения, действующих в релятивистских струях — истечениях ускоренного вещества, приближающихся к скорости света, — в частности, в блазарных струях. «Процесс аккреции и вращение черной дыры приводят к образованию релятивистских струй, в которых частицы ускоряются и испускают излучение с энергией в тысячу миллиардов энергий видимого света! Открытие связи между этими объектами и космическим лучи могут быть «Розеттским камнем» астрофизики высоких энергий».

Чтобы получить эти результаты, исследовательская группа использовала нейтринные данные из нейтринной обсерватории IceCube в Антарктиде — самого чувствительного детектора нейтрино, который в настоящее время работает, — и BZCat, одного из самых точных каталогов блазаров. «С этими данными мы должны были доказать, что блазары, чье положение по направлению совпадало с положением нейтрино, не были случайными». Для этого исследователь UNIGE разработал программное обеспечение, способное оценить, насколько одинаково выглядят распределения этих объектов на небе. «После нескольких бросков костей мы обнаружили, что случайная ассоциация может превзойти реальные данные только один раз на миллион испытаний! Это убедительное доказательство того, что наши ассоциации верны».

Несмотря на этот успех, исследовательская группа считает, что этот первый образец объектов — лишь «верхушка айсберга». Эта работа позволила им собрать «новые данные наблюдений», которые являются наиболее важным компонентом для создания более реалистичных моделей астрофизических ускорителей. «Сейчас нам нужно понять, в чем основное различие между объектами, испускающими нейтрино, и теми, которые не испускают нейтрино. Это поможет нам понять, в какой степени окружающая среда и ускоритель «разговаривают» друг с другом, затем иметь возможность исключить одни модели, улучшить предсказательную силу других и, наконец, добавить больше кусочков к вечной головоломке ускорения космических лучей».