Новая карта Вселенной, нарисованная космическими нейтрино | Журнал Кванта

Из 100 триллионов нейтрино, проходящих через вас каждую секунду, большая часть исходит от Солнца или земной атмосферы. Но небольшая часть частиц — те, что движутся гораздо быстрее остальных, — прибыла сюда из более далеких мощных источников. На протяжении десятилетий астрофизики искали происхождение этих «космических» нейтрино. Теперь нейтринная обсерватория IceCube, наконец, собрала их достаточно, чтобы выявить контрольные закономерности их происхождения.

В статья опубликована сегодня в Наука, команда показала первую карту Млечного Пути в нейтрино. (Обычно наша галактика наносится на карту фотонами, частицами света.) Новая карта показывает рассеянную дымку космических нейтрино, исходящих со всего Млечного Пути, но, как ни странно, ни один из отдельных источников не выделяется. «Это загадка, — сказал Фрэнсис Халзен, который возглавляет IceCube.

Результаты следуют за Исследование IceCube прошлой осенью, Также в Наука, который первым соединил космические нейтрино с индивидуальным источником. Он показал, что большая часть космических нейтрино, обнаруженных до сих пор обсерваторией, пришла из сердца «активной» галактики под названием NGC 1068. В светящемся ядре галактики материя закручивается по спирали в центральную сверхмассивную черную дыру, каким-то образом создавая космические нейтрино. в процессе.

«Это очень приятно, — сказал Кейт Шолберг, нейтринный физик из Университета Дьюка, не участвовавший в исследованиях. «Они действительно идентифицировали галактику. Это то, что все сообщество нейтринной астрономии пыталось сделать целую вечность».

Точное определение источников космических нейтрино открывает возможность использования частиц в качестве нового зонда фундаментальной физики. Исследователи показали, что нейтрино можно использовать для открытия трещин в господствующей Стандартной модели физики элементарных частиц и даже для проверки квантовых описаний гравитации.

Тем не менее, определение происхождения по крайней мере некоторых космических нейтрино — это только первый шаг. Мало что известно о том, как активность вокруг некоторых сверхмассивных черных дыр порождает эти частицы, и до сих пор данные указывают на несколько процессов или обстоятельств.

Долгожданное происхождение

Какими бы многочисленными они ни были, нейтрино обычно пролетают сквозь Землю, не оставляя следов; должен был быть построен невероятно огромный детектор, чтобы обнаружить достаточное их количество, чтобы распознать закономерности в направлениях, откуда они приходят. IceCube, построенный 12 лет назад, состоит из километровых цепочек детекторов, пробуренных глубоко в антарктических льдах. Каждый год IceCube регистрирует около дюжины космических нейтрино с такой высокой энергией, что они четко выделяются на фоне дымки атмосферных и солнечных нейтрино. Более сложный анализ может выявить дополнительных космических нейтрино-кандидатов из остальных данных.

Астрофизики знают, что такие энергичные нейтрино могут возникать только тогда, когда быстро движущиеся атомные ядра, известные как космические лучи, сталкиваются с веществом где-то в космосе. И очень немногие места во Вселенной имеют достаточно сильные магнитные поля, чтобы разогнать космические лучи до достаточной энергии. Гамма-всплески, ультраяркие вспышки света, возникающие, когда некоторые звезды становятся сверхновыми или когда нейтронные звезды закручиваются друг в друга, долгое время считались одним из наиболее вероятных вариантов. Единственной реальной альтернативой были активные галактические ядра, или AGN — галактики, центральные сверхмассивные черные дыры которых выбрасывают частицы и излучение, когда внутрь попадает материя.

Теория гамма-всплесков потеряла свои позиции в 2012 году, когда астрофизики поняли, что если бы эти яркие всплески были ответственны за это, мы бы ожидали увидеть еще много космических нейтрино чем мы. Тем не менее, спор был далек от разрешения.

Затем, в 2016 году, IceCube начал рассылать оповещения каждый раз, когда обнаруживал космическое нейтрино, побуждая других астрономов направлять телескопы в том направлении, откуда оно пришло. В сентябре следующего года они предварительно сопоставил космическое нейтрино с активной галактикой под названием TXS 0506+056, или сокращенно TXS, который испускал вспышки рентгеновского и гамма-излучения одновременно. «Конечно, это вызвало большой интерес, — сказал Маркос Сантандер, сотрудник IceCube в Университете Алабамы.

Собиралось все больше космических нейтрино, и на фоне атмосферных нейтрино стал выделяться еще один участок неба. В середине этого пятна находится близлежащая активная галактика NGC 1068. Недавний анализ IceCube показывает, что эта корреляция почти наверняка равна причинно-следственной связи. В рамках анализа ученые IceCube повторно откалибровали свой телескоп и использовали искусственный интеллект, чтобы лучше понять его чувствительность к различным участкам неба. Они обнаружили, что вероятность того, что обилие нейтрино, прилетающих со стороны NGC 1, является случайной флуктуацией, составляет менее 100,000 из 1068 XNUMX.

Статистическая уверенность в том, что TXS является космическим источником нейтрино, не сильно отстает, и в сентябре IceCube зафиксировал нейтрино, вероятно, из окрестностей TXS, который еще не был проанализирован.

«Мы были частично слепы; как будто мы сосредоточились на этом», — сказал Халзен. «Гонка шла между гамма-всплесками и активными галактиками. Эта гонка решена».

Физический механизм

Эти два АЯГ кажутся самыми яркими источниками нейтрино на небе, но, как ни странно, они очень разные. TXS — это тип AGN, известный как блазар: он выпускает струю высокоэнергетического излучения прямо в сторону Земли. Однако мы не видим такой струи, направленной в нашу сторону от NGC 1068. Это говорит о том, что космические нейтрино могут быть вызваны различными механизмами в сердце активных галактик. «Источники кажутся более разнообразными», — сказал Юлия Тюс, астрофизик-теоретик из Рурского университета Бохума в Германии и член IceCube.

Халзен подозревает, что активное ядро ​​NGC 1068 окружено каким-то материалом, который блокирует испускание гамма-лучей при образовании нейтрино. Но о точном механизме можно только догадываться. «Мы очень мало знаем о ядрах активных галактик, потому что они слишком сложны», — сказал он.

Космические нейтрино, происходящие из Млечного Пути, еще больше запутывают дело. В нашей галактике нет явных источников таких высокоэнергетических частиц, в частности, активного галактического ядра. В ядре нашей галактики не было суеты миллионы лет.

Халзен предполагает, что эти нейтрино исходят от космических лучей, образовавшихся в более ранней активной фазе нашей галактики. «Мы всегда забываем, что смотрим на один момент времени», — сказал он. «Ускорители, создавшие эти космические лучи, возможно, создали их миллионы лет назад».

Что выделяется на новом изображении неба, так это интенсивная яркость таких источников, как NGC 1068 и TXS. Млечный Путь, наполненный ближайшими звездами и горячим газом, затмевает все другие галактики, когда астрономы смотрят с помощью фотонов. Но когда это рассматривается в нейтрино, «удивительно то, что мы едва можем видеть нашу галактику», — сказал Халзен. «В небе преобладают внегалактические источники».

Оставив в стороне тайну Млечного Пути, астрофизики хотят использовать более дальние и яркие источники для изучения темной материи, квантовой гравитации и новых теорий поведения нейтрино.

Исследование фундаментальной физики

Нейтрино предлагают редкие подсказки к тому, что более полная теория частиц должна заменить систему уравнений 50-летней давности, известную как Стандартная модель. Эта модель описывает элементарные частицы и силы с почти идеальной точностью, но ошибается, когда дело касается нейтрино: она предсказывает, что нейтральные частицы безмассовые, но это не так — не совсем так.

В 1998 году физики обнаружили, что нейтрино могут менять форму между тремя разными типами; например, электронное нейтрино, испускаемое Солнцем, может превратиться в мюонное нейтрино к тому времени, когда оно достигнет Земли. А для изменения формы нейтрино должны иметь массу — осцилляции имеют смысл только в том случае, если каждый вид нейтрино представляет собой квантовую смесь трех разных (все очень крошечных) масс.

Десятки экспериментов позволили физикам элементарных частиц постепенно построить картину колебательных моделей различных нейтрино — солнечных, атмосферных, лабораторных. Но космические нейтрино, происходящие от АЯГ, позволяют взглянуть на колебательное поведение частиц на гораздо больших расстояниях и энергиях. Это делает их «очень чувствительным зондом к физике, выходящей за рамки Стандартной модели». Карлос Аргуэльес–Тонкий, нейтринный физик из Гарвардского университета, который также является частью обширного сотрудничества IceCube.

Космические источники нейтрино находятся так далеко, что нейтринные осцилляции должны размываться — куда бы астрофизики ни посмотрели, они ожидают увидеть постоянную долю каждого из трех типов нейтрино. Любое колебание этих долей указывало бы на то, что модели осцилляций нейтрино нуждаются в переосмыслении.

Другая возможность состоит в том, что космические нейтрино взаимодействуют с темной материей во время своего путешествия, как и предсказывали многие ученые. модели темного сектора. Эти модели предполагают, что невидимая материя Вселенной состоит из нескольких типов несветящихся частиц. Взаимодействия с этими частицами темной материи будут рассеивать нейтрино с определенной энергией и создать разрыв в спектре космических нейтрино, которые мы видим.

Или сама квантовая структура пространства-времени может затягивать нейтрино, замедляя их. Группа, базирующаяся в Италии недавно в Астрономия природы что данные IceCube намекают на это, но другие физики были настроены скептически. этих претензий.

Эффекты, подобные этим, будут незначительными, но межгалактические расстояния могут усилить их до обнаруживаемых уровней. «Это определенно то, что стоит изучить», — сказал Шольберг.

Уже, Аргуэльес–Дельгадо и его сотрудники использовали рассеянный фон космических нейтрино, а не конкретные источники, такие как NGC 1068, для поиска доказательств квантовой структуры пространства-времени. Как они сообщили в Физика природы в октябре они ничего не нашли, но их поиску мешала сложность отличить третью разновидность нейтрино — тау — от электронного нейтрино в детекторе IceCube. Что необходимо, так это «лучшая идентификация частиц», сказал соавтор Теппей Катори из Королевского колледжа Лондона. Ведутся исследования, чтобы распутать два типа.

Катори говорит, что знание конкретных местоположений и механизмов космических источников нейтрино дало бы «большой скачок» в чувствительности этих поисков новой физики. Точная доля каждого типа нейтрино зависит от модели источника, и самые популярные модели случайно предсказывают, что на Землю прибудет равное количество нейтрино трех видов. Но космические нейтрино все еще настолько плохо изучены, что любой наблюдаемый дисбаланс в долях трех типов может быть неверно истолкован. Результат может быть следствием квантовой гравитации, темной материи или сломанной модели нейтринных осцилляций — или просто все еще размытой физики образования космических нейтрино. (Тем не менее, некоторые отношения могут стать «дымящимся пистолетом» новой физики, сказал Аргуэльес.–Дельгадо.)

В конечном счете, нам нужно обнаружить гораздо больше космических нейтрино, сказал Катори. И, похоже, будем. IceCube модернизируется и расширяется до 10 кубических километров в течение следующих нескольких лет, а в октябре детектор нейтрино под озером Байкал в Сибири опубликовал свое первое наблюдение космических нейтрино от TXS.

А глубоко в Средиземном море десятки цепочек нейтринных детекторов, вместе называемых КМ3Нет прикрепляются к морскому дну с помощью подводного робота, чтобы предложить дополнительный вид на космическое нейтринное небо. «Давление огромно; море очень неумолимо», — сказал Паскаль Койл, директор по исследованиям Марсельского центра физики элементарных частиц и представитель эксперимента. Но «нам нужно больше телескопов, изучающих небо, и больше совместных наблюдений, которые уже идут».