В 1987 году мы обнаружили нейтрино из другой галактики в сверхновой. После 30-летнего ожидания мы нашли кое-что еще лучше.
Одной из величайших загадок науки является определение не только того, что находится снаружи, но и того, что создает сигналы, которые мы обнаруживаем здесь, на Земле. Уже более века мы знаем, что космические лучи проносятся сквозь Вселенную: высокоэнергетические частицы, происходящие далеко за пределами нашей галактики. Хотя некоторые источники этих частиц были идентифицированы, подавляющее большинство из них, в том числе наиболее энергичные, остаются загадкой.
На сегодняшний день все изменилось. 22 сентября 2017 года коллаборация IceCube обнаружила нейтрино сверхвысокой энергии, достигшее Южного полюса, и смогла определить его источник. Когда несколько гамма-телескопов посмотрели на то же самое место, они не только увидели сигнал, но и определили блазар, который как раз в этот момент вспыхивал. Наконец-то человечество обнаружило хотя бы один источник, создающий эти сверхэнергетические космические частицы.
Вселенная, куда бы мы ни посмотрели, полна вещей, на которые можно смотреть и с которыми можно взаимодействовать. Материя слипается в галактики, звезды, планеты и даже людей. Излучение течет через Вселенную, охватывая весь электромагнитный спектр. И в каждом кубическом сантиметре пространства можно найти сотни призрачных частиц крошечной массы, известных как нейтрино.
По крайней мере, их можно было бы найти, если бы они взаимодействовали с какой-либо заметной частотой с обычной материей, с которой мы знаем, как манипулировать. Вместо этого нейтрино пришлось бы пройти через световой год свинца, чтобы с вероятностью 50/50 столкнуться там с частицей. В течение десятилетий после его предложения в 1930 году мы не могли обнаружить нейтрино.
В 1956 году мы впервые обнаружили их, установив детекторы прямо возле ядерных реакторов, всего в нескольких футах от мест, где производятся нейтрино. В 1960-х годах мы построили достаточно большие детекторы - под землей, защищенные от других загрязняющих частиц - , чтобы обнаруживать нейтрино, производимые Солнцем и столкновениями космических лучей с атмосферой.
Тогда, в 1987 году, только по счастливой случайности мы получили сверхновую так близко к дому, что мы могли обнаружить нейтрино от нее. Эксперименты, проводившиеся с совершенно не связанными с этим целями, обнаружили нейтрино от SN 1987A, открыв эру астрономии с несколькими посланниками. Насколько мы могли судить, нейтрино путешествовали по Вселенной с энергиями, неотличимыми от скорости света.
В течение примерно 30 лет нейтрино от этой сверхновой были единственными нейтрино, происхождение которых, как мы когда-либо подтверждали, находилось за пределами нашей собственной Солнечной системы, не говоря уже о нашей родной галактике. Но это не значит, что мы не получали более далекие нейтрино; это просто означало, что мы не могли надежно идентифицировать их с каким-либо известным источником в небе. Хотя нейтрино очень слабо взаимодействуют с материей, они более вероятно будут взаимодействовать, если их энергия выше.
И тут на помощь приходит нейтринная обсерватория IceCube.
Глубоко во льдах Южного полюса IceCube заключает кубический километр твердого материала в поисках этих почти безмассовых нейтрино. Когда нейтрино проходят через Землю, есть шанс, что она вступит во взаимодействие с находящейся там частицей. Взаимодействие приведет к потоку частиц, который должен оставить безошибочные следы в детекторе.
За шесть лет работы IceCube они обнаружили более 80 высокоэнергетических космических нейтрино с энергиями более 100 ТэВ: это более чем в десять раз превышает самые высокие энергии, достигнутые любыми частицами на БАК.. Некоторые из них даже достигли пика шкалы ПэВ, достигнув энергий, в тысячи раз превышающих те, которые необходимы для создания даже самых тяжелых из известных фундаментальных частиц.
Тем не менее, несмотря на все эти нейтрино космического происхождения, которые прибыли на Землю, мы еще ни разу не сопоставили их с источником на небе, который предлагает определенное местоположение. Обнаружение этих нейтрино - огромный подвиг, но если мы не сможем сопоставить их с реальным наблюдаемым объектом во Вселенной - например, который также можно наблюдать в какой-то форме электромагнитного света - , мы понятия не имеем, что их создает.
Теоретики без проблем придумывали идеи, в том числе:
- hypernovae, самая сверхяркая из всех сверхновых,
- гамма-всплески,
- вспыхивающие черные дыры,
- или квазары, самые большие активные черные дыры во Вселенной.
Но для решения потребуются доказательства.
IceCube отслеживает и выпускает релизы с каждым обнаруженным нейтрино сверхвысокой энергии. 22 сентября 2017 года было замечено еще одно такое событие: IceCube-170922A. В вышедшем релизе они заявили следующее:
22 сентября 2017 года IceCube обнаружил трекообразное событие очень высокой энергии с высокой вероятностью астрофизического происхождения. Событие было идентифицировано выбором события трека Extremely High Energy (EHE). Детектор IceCube находился в нормальном рабочем состоянии. События EHE обычно имеют вершину взаимодействия нейтрино, которая находится за пределами детектора, производят мюон, который пересекает объем детектора, и имеют высокий уровень света (прокси энергии).
Это интересно не только для нейтрино, но и для космических лучей в целом. Несмотря на то, что мы наблюдаем миллионы космических лучей высоких энергий более века, мы не понимаем, откуда берется большинство из них. Это верно для протонов, ядер и нейтрино, созданных как в источнике, так и в результате каскадов/ливней в атмосфере.
Вот почему удивительно, что, наряду с предупреждением, IceCube также дал координаты того места, где это нейтрино должно было появиться на небе, в следующем месте:
- RA: 77,43 град (-0,80 град/+1,30 град 90 % сдерживания PSF) J2000
- Декабрь: 5,72° (-0,40°/+0,70°, 90% сдерживание PSF) J2000
И это привело наблюдателей, пытавшихся провести последующие наблюдения в электромагнитном спектре, к этому объекту.
Это блазар: сверхмассивная черная дыра, которая в настоящее время находится в активном состоянии, питаясь материей и разгоняя ее до огромных скоростей. Блазары похожи на квазары, но с одним важным отличием. В то время как квазары могут быть ориентированы в любом направлении, у блазара одна из струй всегда будет направлена прямо на Землю. Их называют блазарами, потому что они «пылают» прямо на вас.
Этот конкретный блазар известен как TXS 0506+056, и когда множество обсерваторий, в том числе обсерватория Ферми НАСА и наземный телескоп MAGIC на Канарских островах, немедленно обнаружили исходящие от него гамма-лучи..
Не только это, но и то, что когда нейтрино прибыли, блазар оказался в пылающем состоянии, соответствующем наиболее активным выбросам, которые испытывает такой объект. С момента пика оттока и отлива исследователи, связанные с IceCube, просмотрели записи за десятилетие до вспышки 22 сентября 2017 года и искали любые нейтринные события, которые могли бы возникнуть из положения TXS 0506+056.
Немедленная находка? Нейтрино прибывали от этого объекта несколькими вспышками, охватывающими много лет. Объединив нейтринные наблюдения с электромагнитными, мы смогли надежно установить, что нейтрино высоких энергий производятся блазарами, и что у нас есть возможность обнаруживать их даже на таком большом расстоянии. TXS 0506+056, если вам интересно, находится примерно в 4 миллиардах световых лет от нас.
Огромное количество информации можно узнать только из одного этого наблюдения с несколькими мессенджерами.
- Блазары оказались по крайней мере одним из источников космических лучей.
- Чтобы произвести нейтрино, вам нужны распадающиеся пионы, а они производятся ускоренными протонами.
- Это первое убедительное свидетельство ускорения протонов черными дырами.
- Это также демонстрирует, что блазар TXS 0506+056 является одним из самых ярких источников во Вселенной.
- Наконец, по сопутствующим гамма-лучам мы можем быть уверены, что космические нейтрино и космические лучи, по крайней мере иногда, имеют общее происхождение.
По словам Фрэнсис Халзен, главного исследователя нейтринной обсерватории IceCube,
Интересно, что в сообществе астрофизиков существовал общий консенсус в отношении того, что блазары вряд ли могут быть источниками космических лучей, и вот мы здесь… длин волн и в сочетании с детектором нейтрино, таким как IceCube, знаменует собой веху в том, что ученые называют «астрономией с несколькими посланниками».
Эра астрономии с несколькими посланниками официально наступила, и теперь у нас есть три совершенно независимых и дополняющих друг друга способа смотреть на небо: со светом, с нейтрино и с гравитационными волнами. Мы узнали, что блазары, которые когда-то считались маловероятными кандидатами на роль источников высокоэнергетических нейтрино и космических лучей, на самом деле создают и то, и другое.
С этим открытием официально стартует новая научная область, астрономия нейтрино высоких энергий. Нейтрино больше не являются ни побочным продуктом других взаимодействий, ни космической диковинкой, которая едва выходит за пределы нашей Солнечной системы. Вместо этого мы можем использовать их в качестве фундаментального исследования Вселенной и основных законов самой физики. Одной из основных целей создания IceCube было выявление источников высокоэнергетических космических нейтрино. С идентификацией блазара TXS 0506+056 в качестве источника как этих нейтрино, так и гамма-лучей, эта космическая мечта, наконец, осуществилась.