IceCube виявив найдивніший сигнал у космосі

16 травня 2025 р. 11:55

16 травня 2025 р. 11:55

Потужні нейтрино з далекої галактики натякають на дивовижне походження: атоми гелію, розірвані ультрафіолетовим світлом поблизу чорної діри, змінюючи те, що ми вважали відомим про космічні струмені.

• У глибокому космосі потужні нейтрино зазвичай знаходяться разом зі спалахами гамма-променів. Але галактика NGC 1068 поводиться інакше — вона випромінює сильний потік нейтрино з напрочуд малим гамма-випромінюванням, залишаючи вчених із космічною загадкою.
• Нове дослідження пропонує сміливе пояснення: атоми гелію в галактичному струмені стикаються з інтенсивним ультрафіолетовим світлом поблизу її центру. Ці зіткнення розривають атоми, вивільняючи нейтрони, які розпадаються на нейтрино, не виділяючи багато гамма-випромінювання.
• Це відкриття проливає нове світло на екстремальні умови поблизу надмасивних чорних дір, таких як та, що знаходиться в NGC 1068, і навіть та, що знаходиться в нашій власній галактиці. Воно також поглиблює наше розуміння того, як випромінювання та субатомні частинки взаємодіють, можливо, прокладаючи шлях для майбутніх проривів у науці та техніці.

Загадка нейтрино в галактиці Кальмар

Глибоко під антарктичним льодом лежить чудовий науковий інструмент — тисячі датчиків, що діють як «очі», здатні виявляти одну з найневловиміших частинок Всесвіту: нейтрино. Нещодавно ці датчики виявили щось несподіване. У далекій галактиці під назвою NGC 1068, також відомій як галактика Кальмар, вчені виявили надзвичайно сильний спалах нейтрино. Але що робить це відкриття таким загадковим, так це те, що воно супроводжувалося дуже малою кількістю гамма-випромінювання, яке зазвичай з’являється разом з енергійними нейтрино.

Датчики належать до нейтринної обсерваторії IceCube, масштабного експерименту, вбудованого в кубічний кілометр прозорого антарктичного льоду. Тепер команда фізиків-теоретиків з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, Університету Осаки та Інституту Кавлі Токійського університету пропонує сміливу нову ідею. Вони вважають, що нейтрино з NGC 1068 можуть утворюватися зовсім інакше, ніж очікувалося, відкриваючи захопливу нову главу в астрофізиці елементарних частинок.

Нейтрино – це крихітні субатомні частинки, які майже не взаємодіють з матерією. На відміну від інших частинок, таких як електрони, нейтрино можуть проходити прямо крізь планети, зірки і навіть наші власні тіла, не залишаючи слідів. Саме це робить їх такими важкими для виявлення. 5160 датчиків IceCube були створені для фіксації рідкісних моментів, коли нейтрино взаємодіє з льодом, створюючи заряджену частинку, яка залишає помітний слід.

«У нас є телескопи, які використовують світло для спостереження за зірками, але багато з цих астрофізичних систем також випромінюють нейтрино», — сказав Олександр Кусенко, професор фізики та астрономії в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі та старший науковий співробітник Кавлійського інституту політехнічних наук. «Щоб побачити нейтрино, нам потрібен інший тип телескопа, і це той телескоп, який у нас є на Південному полюсі».

Нейтрино-телескоп IceCube виявив дуже енергійні нейтрино, що надходять з NGC 1068, супроводжувані слабким потоком гамма-випромінювання, що натякає на те, що ці нейтрино могли утворитися інакше, ніж вважалося раніше. Дані NGC 1068 викликають подив, оскільки зазвичай вважається, що енергійні нейтрино з активних галактичних центрів походять від взаємодії між протонами та фотонами, що призводить до утворення гамма-променів порівнянної інтенсивності. Таким чином, енергійні нейтрино зазвичай спарюються з енергійними гамма-променями.

Гамма-випромінювання NGC 1068 значно нижче, ніж очікувалося, і демонструє зовсім іншу спектральну форму. Традиційні моделі, включаючи ті, що базуються на зіткненнях протонів з фотонами та випромінюванні з гарячої плазмової області галактики, відомої як «корона», широко використовувалися для пояснення таких нейтрино, але вони зіткнулися з теоретичними обмеженнями, що спонукало до пошуку нового пояснення.

У новій статті, опублікованій у журналі Physical Review Letters , Кусенко та його колеги припускають, що високоенергетичні нейтрино з NGC 1068 в основному є результатом розпаду нейтронів, коли ядра гелію в струмені галактики розпадаються під впливом інтенсивного ультрафіолетового випромінювання. Коли ці ядра гелію стикаються з ультрафіолетовими фотонами, що випромінюються центральною областю галактики, вони фрагментуються, вивільняючи нейтрони, які згодом розпадаються на нейтрино. Енергії отриманих нейтрино відповідають спостереженням.

Крім того, електрони, що утворюються внаслідок цих ядерних розпадів, взаємодіють з навколишніми полями випромінювання, створюючи гамма-промені, що відповідають спостережуваній нижчій інтенсивності. Цей сценарій елегантно пояснює, чому сигнал нейтрино різко перевершує гамма-випромінювання, і пояснює чіткий енергетичний спектр, що спостерігається як у нейтрино, так і в гамма-променях.

Це відкриття допомагає вченим зрозуміти, як космічні струмені в активних галактиках можуть випромінювати потужні нейтрино без відповідного гамма-свічення, проливаючи нове світло на екстремальні, складні умови, що оточують надмасивні чорні діри, включаючи ту, що знаходиться в центрі нашої власної галактики.

«Ми не знаємо дуже багато про центральну, крайню область поблизу галактичного центру NGC1068», — сказав Кусенко. «Якщо наш сценарій підтвердиться, це розповість нам щось про середовище поблизу надмасивної чорної діри в центрі цієї галактики».

У новій статті пропонується припустити, що якщо ядро ​​гелію прискорюється в струмені надмасивної чорної діри, воно зіштовхується з фотонами та розпадається, вивільняючи два протони та два нейтрони в космос. Протони можуть відлетіти, але нейтрони нестабільні та розпадаються на нейтрино, не утворюючи гамма-променів.

«Водень і гелій – два найпоширеніші елементи в космосі», – сказав перший автор дослідження та докторант Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі Коічіро Ясуда. «Але водень має лише протон, і якщо цей протон зіткнеться з фотонами, він вироблятиме як нейтрино, так і сильні гамма-промені. Але нейтрони мають додатковий спосіб утворення нейтрино, який не виробляє гамма-промені. Тож гелій є найімовірнішим джерелом нейтрино, які ми спостерігаємо в NGC 1068».

Робота виявляє існування прихованих астрофізичних джерел нейтрино, сигнали яких раніше могли залишатися непоміченими через їхні слабкі гамма-сигнатури.

«Ця ідея пропонує нову перспективу, що виходить за рамки традиційних моделей корони. NGC 1068 — лише одна з багатьох подібних галактик у Всесвіті, і майбутні виявлення нейтрино з них допоможуть перевірити нашу теорію та розкрити походження цих таємничих частинок», — сказав співавтор дослідження та професор астрофізики Університету Осаки Йошіюкі Іное.

Як і NGC 1068, наша галактика також має надмасивну чорну діру в центрі, де незбагненно величезна гравітація та енергія буквально розривають атоми на частини, і відкриття нейтрино також стосується нашої галактики. Хоча не обов’язково існує пряма лінія від розуміння галактичного центру до покращення добробуту людства, знання, отримані завдяки вивченню таких частинок, як нейтрино, та випромінювання, такого як гамма-промені, мають тенденцію вести технології дивовижними та трансформаційними шляхами.

«Коли Джей Джей Томпсон отримав Нобелівську премію з фізики 1906 року за відкриття електронів, він, як відомо, виголосив тост на вечері після церемонії, сказавши, що це, мабуть, найбезглуздіше відкриття в історії», – сказав Кусенко. «І, звичайно, кожен смартфон, кожен електронний пристрій сьогодні використовує відкриття, яке Томпсон зробив майже 125 років тому».

Кусенко також сказав, що фізика елементарних частинок породила Всесвітню павутину, яка виникла як мережа, розроблена фізиками, яким потрібно було переміщувати великі обсяги даних між лабораторіями. Він зазначив, що відкриття ядерного магнітного резонансу здавалося маловідомим на той час, але призвело до розробки технології магнітно-резонансної томографії, яка зараз регулярно використовується в медицині.

«Ми стоїмо на самому початку нової галузі нейтринної астрономії, і таємничі нейтрино з NGC 1068 — одна з головоломок, яку нам доведеться розгадати на цьому шляху», — сказав Кусенко. «Інвестиції в науку призведуть до чогось, що ви, можливо, не зможете оцінити зараз, але може призвести до чогось великого через десятиліття. Це довгострокові інвестиції, і приватні компанії неохоче інвестують у такі дослідження, якими ми займаємося. Ось чому державне фінансування науки таке важливе, і саме тому університети такі важливі».

Наука