Поиски источников высокоэнергетических нейтрино привели к ядрам галактик

Высокоэнергетические нейтрино относятся к космическим лучам — потоку частиц, постоянно прилетающих к нам из глубин космоса. Эти нейтрино сильно отличаются от остальных частиц космических лучей, которые в основном задерживаются в атмосфере Земли.

Нейтрино — это электрически нейтральные частицы, существующие в нескольких разновидностях. Учёные до сих пор не уверены, обладают ли они массой покоя. Эти частицы крайне сложно наблюдать, так как они почти не взаимодействуют с веществом.

Для обнаружения нейтрино используются специальные детекторы, представляющие собой огромные ёмкости с тяжёлой водой, расположенные глубоко под землёй. Только так можно зафиксировать редкие взаимодействия нейтрино с веществом.

Долгое время источник космических нейтрино оставался загадкой. Предполагалось, что они должны образовываться при ускорении частиц с энергиями, превышающими возможности Большого адронного коллайдера. В 2017 году было высказано предположение, что источником нейтрино являются блазары — активные ядра далёких галактик. Однако точный механизм, в результате которого вещество вокруг сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик порождает нейтрино, пока не до конца понятен учёным. В последние несколько лет разные группы учёных активно работают над тем, что подтвердить это предположение экспериментально.

Международный коллектив учёных провёл одну из таких очень важных работ. Они использовали данные, собранные нейтринным телескопом Antares за последние его 13 лет работы. Целью было проверить гипотезу о корреляции между потоками высокоэнергетических нейтрино и наличием на их пути активных ядер галактик.

Связь между нейтрино высоких энергий и астрофизическими объектами в науке пока что носит лишь статистический характер. Для более полного понимания этой связи важно сравнивать результаты наблюдений, полученные с помощью различных инструментов. Это позволит лучше охарактеризовать энергетический спектр астрофизических нейтрино и выявить возможные систематические эффекты, связанные с их обнаружением.

Ранее поиски нейтринного сигнала от блазаров проводились на основе каталога ярких объектов в гамма-диапазоне. Однако последние исследования показывают, что гамма-излучение и вспышки могут быть не строго коррелированы с источниками нейтрино. Это связано с тем, что адронные гамма-лучи, сопровождающие нейтрино, быстро теряют энергию в каскадных процессах, что усложняет установление статистической связи между ними на основе наблюдений.

Вероятно, более надёжным индикатором релятивистской активности в окрестности источника может служить синхротронное радиоизлучение от джетов блазаров, наблюдаемое на Земле. Таким образом, комплексный подход с использованием различных типов излучения поможет прояснить механизмы, ответственные за генерацию высокоэнергетических нейтрино в активных ядрах галактик.

Корреляционный анализ был основан на подсчёте количества пар углов «нейтрино — блазар», в которых угол между направлением приёма нейтрино и направлением на блазар достаточно мал — меньше некоторого значения угловой неопределённости направления распространения нейтрино, полученного теоретически, умноженного на параметр x, значения которого изменялись в диапазоне от 0,1 до 2. Моделирование методом Монте-Карло использовалось, чтобы оценить требуемые параметры для исследования.

Кроме того, была исследована зависимость функции вероятности от времени.

Для визуализации оценки конечного результата работы была построена гистограмма, показывающая случайное количество вспышек, со значимостью на уровне трёх сигма подтверждения корреляции с нейтрино и линия их наблюдаемого уровня. Построенный график наглядно показывает, что корреляции между вспышками блазаров и потоками нейтрино совсем не случайны.

В качестве последующего исследования результатов этого анализа полученные наиболее подходящие нейтринные вспышки были сравнены с кривыми радиосвета, полученными Радиообсерваторией долины Оуэнс для тех используемых в этой работе источников, для которых доступны радиоданные.

«В нашей статье мы представили первые результаты по исследованию взаимосвязи нейтрино, зафиксированных ANTARES, с блазарами, равномерно выбранными по их яркому радиоизлучению, — рассказал Юрий Ковалёв, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ. — Нейтринное излучение блазаров, по-видимому, сильно варьируется и, вероятно, коррелирует с электромагнитными вспышками. Тем не менее ситуация далека от ясности, и другие классы источников нейтрино должны внести свой вклад; нейтринное небо может быть разнообразным, включая галактический компонент. Все нейтринные обсерватории, IceCube, KM3NeT и Baikal-GVD, постоянно совершенствуются, чтобы обеспечить больше обнаружений с лучшей направленной точностью и надёжностью. В ближайшие годы можно ожидать усиления наблюдаемой корреляции между блазарами и нейтрино. Продолжаются программы радионаблюдений, чтобы помочь в надёжной идентификации совпадений и лучшем понимании ассоциаций».