Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), Московского физико-технического института (МФТИ) и Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) исследовали направления прихода астрофизических нейтрино с энергиями свыше триллиона электронвольт (ТэВ) и пришли к неожиданному выводу: все они рождаются вблизи черных дыр в центрах далеких активных галактик – мощных источников радиоизлучения. Ранее предполагалось, что в источниках этого класса можно получить только нейтрино с самыми высокими энергиями.

     Считается, что в центрах активных галактик нашей Вселенной располагаются массивные черные дыры. Они являются сердцем этих объектов со светимостью в сотни миллионов солнц. Эти активные галактики – квазары – хорошо видны с Земли как оптическими, так и радиотелескопами.

    Ранее российские ученые Александр Плавин, Юрий Андреевич и Юрий Юрьевич Ковалевы и Сергей Троицкий установили связь между происхождением нейтрино наиболее высоких энергий (выше 200 ТэВ) и радио-квазарами. Уже это было удивительно, потому что теоретические статьи 1990-х годов указывали, что астрофизические нейтрино будут рождаться только при энергиях от 1000 ТэВ.

    Нейтрино – мельчайшие элементарные частицы, у которых масса едва отлична от нуля, зато они могут пересекать Вселенную, практически не взаимодействуя с веществом и не имея никаких задержек на своем пути. Триллионы нейтрино в секунду проходят сквозь каждого человека на Земле, оставаясь совершенно незамеченными. Для регистрации нейтрино международная коллаборация ученых построила в Антарктиде специальный подледный телескоп – черенковский детектор IceCube, занимающий объем в 1 кубический километр льда. А в России сейчас заканчивают сооружение подводного телескопа Baikal GVD в озере Байкал, объем которого уже приближается к IceCube. На уже начавшей работу части установки идет набор данных. Эти инструменты изучают небо в разных полусферах: Северной и Южной.

 
Нейтринная обсерватория IceCube NSF
(предоставлено Ф. Педрерос)

    Проанализировав данные, собранные за 7 лет на телескопе IceCube, ученые первоначально выбрали для анализа диапазон выше 200 ТэВ, чтобы изучить, с какого направления пришли эти нейтрино. Оказалось, что заметная их часть родилась в квазарах, выделенных радиотелескопами по их высокой яркости. Точнее, нейтрино родились где-то в центрах квазаров. Там располагаются массивные черные дыры, питающие их аккреционные диски, а также сверхбыстрые выбросы очень горячего газа. Более того, существует связь между мощными вспышками радиоизлучения в этих квазарах и регистрацией нейтрино на телескопе IceCube. Поскольку нейтрино распространяются по Вселенной со скоростью света, они приходят к нам одновременно со вспышками.

Участники байкальского эксперимента готовят к погружению под покрывающий озеро лед детектор черенковского излучения (оптический модуль). Фотоэлектронный умножитель и прочая электроника помещены внутрь выдерживающего давление полутора километров воды прозрачного шара. Это – часть телескопа, которая собирает и передает по кабелю на берег информацию о слабенькой вспышке, сопровождающей взаимодействие нейтрино в воде. Автор фото – Баир Шайбонов

    Теперь в своей новой статье, опубликованной 19 февраля 2021 года в авторитетном международном журнале The Astrophysical Journal, российские ученые утверждают, что нейтрино энергий в десятки ТэВ тоже испускаются квазарами. В результате получается, что все – ну хорошо, почти все, – астрофизические нейтрино высоких энергий рождаются в квазарах. Заметим, кроме астрофизических, есть нейтрино, которые рождаются в атмосфере Земли, и даже в самом детекторе IceCube во время взаимодействия космических лучей с веществом.

   Аспирант и научный сотрудник ФИАН и МФТИ Александр Плавин отметил:

«Массовое рождение нейтрино в квазарах теперь факт, с которым приходится считаться другим исследователям-астрофизикам. Это крайне важно для детального понимания процессов внутри активных галактик, которые приводят к выделению огромного количества энергии».

    Соавтор открытия из ФИАН и МФТИ член-корреспондент РАН Юрий Ковалев пояснил результаты в программе Гамбургский счет на ОТР.

    В сентябре 2020-го года консорциум семи научных организаций – ФИАН, МФТИ, ИЯИ РАН, ОИЯИ, САО РАН, ГАИШ МГУ, Иркутский государственный университет – выиграл грант Минобрнауки по теме «Нейтрино и астрофизика частиц». Около 100 ученых будут работать над решением вопроса о происхождении нейтрино, а также изучать его свойства. Проектом также предусмотрены и другие исследования, направленные на понимание природы астрофизических нейтрино высоких энергий, в том числе поиск фотонов того же диапазона энергий на установке «Ковер-3» Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН (Северный Кавказ).

    Связь нейтрино и радио-квазаров вызвала большой интерес в мире. Начинается совместная работа российских ученых с нейтринным экспериментом ANTARES в Средиземном море. Свежая статья европейских и американских ученых независимо подтвердила открытие российской группы по данным радиотелескопов в США и Финляндии. Новые события прихода астрофизических нейтрино теперь отслеживаются крупными мировыми радиотелескопами и антенными решетками.

    В 2021 году российские ученые соберут первые данные с телескопа Baikal GVD и проанализируют их совместно с данными РАТАН-600 и мировых сетей радиотелескопов, позволяющих в деталях рассмотреть центры квазаров. Нас ждет много интересного.

Карта неба. Чем темнее (от белого к желтому-красному-синему-черному), тем больше вероятность прихода нейтрино из данного направления. Квазары показаны зелеными кружками. Внимательный глаз может заметить, что зеленые кружки предпочитают не находиться в белых областях

А. Плавин и Ю.Ю. Ковалев для АНИ «ФИАН-информ»

    Международной группой астрономов, при участии Юрия Ковалева (Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН) и Александра Пушкарёва (Главная астрономическая обсерватория РАН) впервые обнаружено явление кажущегося расщепления далекого квазара на несколько изображений газопылевым облаком нашей Галактики.

    Астрономам впервые удалось обнаружить расщепление изображения далекого квазара на несколько субизображений, благодаря эффектам преломления, создаваемым облаком ионизованной плазмы, находящимся в одном из рукавов нашей Галактики – Млечного пути. Эти явления были предсказаны еще в 70-е годы прошлого века, однако впервые такое ученым удалось зарегистрировать только сейчас, с помощью системы радиотелескопов апертурного синтеза VLBA (США), рисунок 1.

 

    Международная группа астрономов, в том числе Юрий Ковалев из Физического института имени Лебедева РАН и Александр Пушкарёв из Главной астрономической обсерватории РАН, работавшая в рамках масштабной программы по исследованию активных ядер галактик (около 300 объектов) наблюдала квазар 2023+335, расположенный в 3 млрд. световых лет от Земли. Анализ серии изображений этого квазара выявил поистине драматические изменения.

    Вот что сказал по этому поводу А. Пушкарёв: «Эти изменения вызваны искривлением траектории радиоволн, излучаемых квазаром, если они проходят сквозь газовое облако в нашей Галактике и оказываются на луче зрения в момент наблюдения. Это редкое явление даёт нам новые возможности для изучения свойств турбулентной газовой среды, которая занимает значительную долю пространства нашей Галактики».

    Квазар 2023+335 в 2008 г. был добавлен группой в список исследуемых квазаров и галактик, содержащих сверхмассивные чёрные дыры в своих центральных областях. Энергия гравитации чёрных дыр обусловливает возникновение и питает релятивистские струи, вещество в которых разгоняется почти до световой скорости. Первоначально, квазар 2023+335 проявил себя как объект с типичной структурой, представляющей собой яркое центральное ядро и выброс джета релятивистской плазмы. Однако, в 2009 г. «портрет» этого объекта существенно преобразился, резко обогатившись набором новых ярких деталей, вытянутых вдоль одной линии.

    «Мы никогда прежде не видели подобного эффекта, как среди сотен квазаров, наблюдающихся в нашей программе, так и в исследованиях других авторов», – продолжает А. Пушкарев.

    Феномен множественности изображений сопровождался значительными изменениями яркости квазара (в радиодиапазоне), что было зафиксировано наблюдателями на других телескопах. По мнению учёных, это явление объясняется свойством рассеяния радиоволн.

    Анализ, проведённый группой исследователей, показывает, что траектории радиоволн, излучаемых квазаром, были искривлены облаком турбулентной плазмы, которое находится примерно в 5000 световых лет от Земли в направлении созвездия Лебедя. Размер облака сопоставим с расстоянием между Солнцем и Меркурием, а скорость его движения в пространстве составляет около 56 километров в секунду.

    Заведующий лабораторией внегалактической радиоастрономии ФИАН Ю. Ковалев, комментируя полученные результаты, к слову, вспомнил «клятву астронома», которую дают выпускники МГУ и СПбГУ. В ней есть такие слова: «Клянемся никогда не путать объектив с окуляром, Марс – с Полярной звездой, АЛГОЛ с Алголем, а Алголь – с алкоголем… И, увидев две звезды там, где прежде была одна, не кричать: "Эврика!", не вылив на голову ведро холодной воды».

    И, далее, продолжил: «Так вот, двое из нас, дававшие клятву астронома в МГУ им. М.В. Ломоносова, в течение последних нескольких лет, практически, «лили на себя ведра холодной воды». Причина: появление «пяти квазаров» там, где раньше был один. Ничего более странного раньше нам не встречалось. Размножение то проявлялось, то исчезало – значит, это не гравитационное линзирование. Позднее нам удалось разобраться и измерить с высочайшей точностью размеры, скорость и другие характеристики межзвездного облака, обусловившего это уникальное явление».

***

    Результаты работы недавно были опубликованы в журнале «Astronomy and Astrophysics».

По материалам АНИ «ФИАН-информ»