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»