Первый крик нейтринной астрономии

Ближайший к нам блазар типа BL Lac Центавр А. Точнее, это блазар не для нас, а для тех, кто живет по направлению его джетов, которые видны на снимке. Изображение сделано наложением снимков — оптического, рентгеновского (голубой цвет) и радио (бурый цвет). ESO/WFI (visible); MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al. (microwave); NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al. (X-ray)

Ближайший к нам блазар типа BL Lac Центавр А. Точнее, это блазар не для нас, а для тех, кто живет по направлению его джетов, которые видны на снимке. Изображение сделано наложением снимков — оптического, рентгеновского (голубой цвет) и радио (бурый цвет).
ESO/WFI (visible); MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al. (microwave); NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al. (X-ray)

На днях было объявлено, что детектор Ice Cube зарегистрировал одно нейтрино очень высокой энергии (минимум 180 ТэВ) с направления, совпадающего с точностью полградуса с одним из блазаров (TXS 0506, здесь и далее используем сокращенное название). Есть также дополнительные соображения, подтверждающие, что данный блазар — источник нейтрино.

Что такое Ice Cube

Это большой детектор мюонов в Антарктиде, его рабочее тело — кубический километр льда. В лед вморожены 86 струн с фотоумножителями по 60 штук на каждой, на глубине 1,5−2,5 км. Объект наблюдения — мюоны высоких энергий, родившиеся от взаимодействия нейтрино со льдом. Мюоны и продукты их взаимодействия с веществом излучают черенковский свет, который распространяется во льду на десятки метров и попадает в фотоумножители. Точность восстановления направления мюона — 0,5−0,3° в зависимости от энергии. Точность восстановления энергии довольно плохая, так детектор видит лишь часть трека, потери мюона при взаимодействии с веществом стохастические, и их зависимость от энергии — логарифмическая. Надежно определяется лишь низший предел по энергии.

Подавляющее большинство нейтрино, регистрируемых «Ледяным кубом», — атмосферные: прилетает протон очень большой энергии, рождает в воздухе каскад частиц, среди которых есть и нейтрино. Однако поток атмосферных нейтрино быстро убывает с энергией. Чтобы породить нейтрино, частица должна распасться, а с ростом энергии растет распадная база, и ее уже не хватает — частица вместо распада взаимодействует с веществом. Поэтому нейтрино с очень большой энергией (больше 100 ТэВ), скорее всего, прилетели из далекого космоса.

Ice Cube зарегистрировал в два с лишним раза больше нейтрино (54 против 20 ± 6 на начало 2017 года) очень высоких энергий (больше 30 ТэВ), чем могут дать атмосферные ливни. Этот избыток называется «астрофизические нейтрино».

Что такое «блазар»

Блазар — одно из проявлений сверхмассивных черных дыр, сидящих в центрах галактик. Самое общее название этих объектов — «активные галактические ядра». Светят эти ядра за счет излучения вещества, стягивающегося в черную дыру. Это вещество образует так называемый аккреционный диск, который светит в ультрафиолете и рентгене. Если активное галактическое ядро очень мощное, оно называется «квазар». Аккреционные диски некоторых квазаров светят в 10 тыс. раз ярче всей нашей галактики, хотя такие объекты очень редки. Квазары гораздо чаще встречались в молодой Вселенной — при красном смещении больше 1, пик их распространенности приходится на первые 1−4 млрд лет существования Вселенной. Мы их прекрасно видим с расстояния несколько миллиардов световых лет. Сейчас их очень мало, зато остались активные галактические ядра умеренной мощности.

Аккреционный диск — не единственная примечательная деталь активного галактического ядра. Еще есть джеты — струи замагниченной плазмы, истекающие перпендикулярно аккреционным дискам, вдоль оси вращения черной дыры. Они движутся почти со скоростью света, так называемый лоренц-фактор джета обычно составляет 15−20, иногда выше 50. Лоренц-фактор показывает, во сколько раз замедляется время в движущейся системе отсчета, или на сколько надо умножить энергию массы покоя частицы, чтобы получить ее полную энергию. Из-за большого лоренц-фактора всё, что излучают частицы джета, направлено вперед в конусе с раствором 1/(лоренц-фактор) — получается своего рода прожектор. Если мы попадаем в луч этого прожектора, называем, что видим, блазаром.

А видим мы довольно удивительные вещи. Основной поток энергии от объекта приходится на жесткий гамма-диапазон. ГэВы, десятки ГэВ даже сотни ГэВ, поток до миллионов светимостей Галактики во всем диапазоне, если не знать, что это луч прожектора, и пересчитывать на весь телесный угол. Излучение блазаров перекрывает весь электромагнитный спектр и затмевает родительскую галактику.

Блазары условно делятся на два класса. Более мощные называются Flat Specrtum Radio Quasaras (FSRQ). Русского термина нет. Это редкие монстры, но и видны они издалека с красных смещений 3−4, поэтому составляют половину всех объектов, видимых в гамма-лучах. Менее мощные называются BL Lacerta (BL Ящерицы), сокращенно BL Lac. Русско язычный термин существует — «лацертиды», но используется редко. Они отличаются не только меньшей мощностью, но и большей жесткостью излучения. Там почти отсутствует радио и оптика, зато идет мощный поток гамма-квантов энергии в десятки и сотни ГэВ. BL Lac’ов намного больше, но и видны они с меньших расстояний, с красных смещений в пределах 0,5.

Физически BL Lac и FSRQ отличаются в первую очередь режимом аккреции. Вторые — квазары в период бурного роста. Первые — истощенные квазары — гигантская черная дыра на месте, но вещества поступает мало, аккреционный диск светит слабо, основная энергия, по-видимому, берется из запасенной ранее энергии вращения черной дыры. В джетах FSRQ частицы высоких энергий «вязнут» в очень сильном излучении аккреционного диска и его окрестностей. В лацертидах ничто не мешает частицам ускоряться до сверхвысоких энергий, поэтому они издавна считались наиболее вероятными кандидатами в источники частиц сверхвысоких энергий, включая нейтрино. Если сравнивать блазары с ускорителями, то FSRQ — очень мощный сильноточный ускоритель на умеренные энергии, BL Lac — ускоритель на огромные энергии с малой интенсивностью. Блазар TXS 0506 — типичный BL Lac, по наблюдаемой яркости входит в первые полсотни BL Lac’ов, но находится довольно далеко для этого класса объектов. Его красное смещение 0,33, так что абсолютная яркость довольно велика.

Что именно зарегистрировали

22 сентября 2017 года Ice Cube зарегистрировал мюон от нейтрино энергии по меньшей мере 180 ТэВ (наиболее вероятное значение — 290 ТэВ), совпадающий по направлению прихода с TXS 0506 с точностью плюс-минус полградуса. Вероятность, что данный фотон совпадет с такой точностью с данным объектом, ~10-5. Однако таких блазаров, совпадение с которыми привлекло бы внимание, не меньше сотни, и нейтрино подобных энергий — порядка десяти. Поэтому вероятность, что какое-то высокоэнергетичное нейтрино совпадет с каким-то достаточно ярким блазаром, — около 1/100. Этого явно недостаточно, чтобы претендовать на открытие.

График прилета нейтрино с направления TXS 0506. По вертикали — вес события (нечто, связанное с его вкладом в статистическую значимость). Цвет события отражает грубую оценку энергии нейтрино (цветовая шкала справа)

График прилета нейтрино с направления TXS 0506. По вертикали — вес события (нечто, связанное с его вкладом в статистическую значимость). Цвет события отражает грубую оценку энергии нейтрино (цветовая шкала справа)

Косвенным подтверждением, что TXS 0506 имеет отношение к делу, стало то, что это нейтрино совпало по времени со вспышкой этого объекта, наблюдавшейся в гамма-квантах высокой энергии. Но более сильное свидетельство дали архивные раскопки. Авторы открытия проверили все нейтрино, которые приходили с данного направления (кружок размером градус вокруг TXS 0506). В основном там оказались нейтрино умеренных энергий до 10 ТэВ, среди которых преобладают атмосферные. Но в конце 2014-го — начале 2015 года с исследованного пятачка пришла целая пачка нейтрино энергии выше средней. Вероятность случайного появления такой пачки — примерно 1/3000 (3,5 о). Вместе с нейтрино 2017 года это становится уже достаточно сильным свидетельством, чтобы заявлять об открытии нейтринного излучения от данного объекта.

Таким образом, рождение нейтринной астрономии, о котором так долго говорили и мечтали астрофизики разных стран, состоялось!

P. S. Если включать в понятие «нейтринная астрономия» регистрацию солнечных нейтрино (см., например, trv-science.ru/2015/10/20/neutrino-za-shkirku/) и нейтрино от сверхновой SN 1987 A, которые дали важную информацию о физике нейтрино, то рождение нейтринной астрономии состоялось десятки лет назад. В этом смысле заголовок статьи неудачен и требует уточнения. Речь идет об астрономии в классическом понимании, связанной с определением положения источника на небе, ну и конечно, это прорыв в совершенно новую область энергии для астрофизики нейтрино — скачок почти на 8 порядков величины.

Борис Штерн

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

15 комментариев

  • Angl:

    Состоялось рождение ВНЕГАЛАКТИЧЕСКОЙ нейтринной астрономии, фотография Солнца была уже получена ранее.

  • На установках в разных уголках мира регистрировались солнечные нейтрино, была сформулирована проблема их нехватки, впоследствии решеная, отмеченная нобелевкой… Были пойманы нейтрино разных энергий от Сверхновой в Магеллановом Облаке. Десятилетия наблюдательная нейтринная астрономия развивалась, получала результаты, но не знала, что с точки зрения редактора ТрВ она ещё не родилась. Ведь пришлось бы менять громкий заголовок.

    • res:

      А действительно, видели же вспышки нейтрино от сверхновой, лет так 10 назад, а то и больше. Еще спекулировали на тему сверхсветового движения, не учитывая сложную и протяженную динамику взрыва. Так в чем же крик?

  • Б.Штерн:

    До сих пор регистрировались нейтрино практически без углового разрешения. Ну да, с некоторым напряжением это можно назвать астрономией. Солнечные нейтрино, это пока в основном история про нейтрино, а не про Солнце. И Нобелевскую премию дали за их осцилляции — к астрономии никакого отношения не имеет, Солнце здесь фигурирует, как инструмент. Детекторы нейтрино да, развивались, но астрономических результатов не получали. Получали чисто физические результаты на солнечных и атмосферных нейтрино. А сверхновая 1987 — да, это уже похоже на астрономию. Я бы назвал это предродовой схваткой. Теперь впервые наблюдают объект, поток нейтрино от которого не очевиден, и кое что проясняет по части джетов. По большому счету — первый по-настоящему астрономический результат.

    • Alexei Moiseev:

      Борис, у вас очень странные представления о наблюдательной астрономии и о том, что «на нее похоже». Мне, как астрофизику-наблюдателю это даже сложно комментировать.
      Скажите, а вас не смущает, что, к примеру, нобелевская лекция Masatoshi Koshiba (еще одна, «до рождения нейтринной астрономии»), посвященная сигналу от SN1987A так и называлась: «Birth of Neutrino Astrophysics»?
      https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2002/koshiba-lecture.html
      :)

      • Б.Штерн:

        Алексей, я вижу в предыдущих результатах прежде всего физику нейтрино (осцилляции от Солнца и предел на массу нейтрино) при минимуме информации об объектах (возможно, какие-то маргинальные модели были отброшены, не знаю). Кошиба не первым употребил этот термин — у нас в институте есть целый отдел, в названии которого испокон веков фигурирует «нейтринная астрофизика». И об осцилляциях солнечных нейтрино мы писали и не раз. Видимо можно назвать это нейтринной астрономией. Возможно заголовок не очень удачный, но мне и в страшном сне не могло прийти, что он может вызвать столь пафосную реакцию. Хорошо, давайте я переименую статью, пусть будет «Второй крик нейтринной астрономии». Вас это удовлетворит? Да, и давайте не будем мериться профессиональными компетенциями.

        • Alexei Moiseev:

          Борис, речь не о профессиональных компетенциях, а об элементарной научной этики, которую надо соблюдать даже в популярных новостных заметках. Даже если хочется сделать звучно. Вы считаете «пафосной» мою реакцию, а я считаю «пафосным» и оскорбительным и заголовок и концовку вашей заметки (по отношению к множеству коллег, годами занимавшихся регистрацией нейтрино из космоса). С другой стороны, уже не важно, будете ли вы меня название на, скажем, «очередной крик» или нет. Тем более, что не так уж много «нейтринщиков» читают ТрВ. Я писал свои комментарии, чтобы понять ваше отношение к подобным «ляпам», а также понять, куда эволюционирует ТрВ. Спасибо, я понял и выводы свои сделал.

          • «Потом жил у нас в деревне один мужчина, которого звали Обида-Мученик. Ты его не помнишь, ты тогда без памяти был. А этот Обида-Мученик всегда на все обижался и спрашивал: почему?»

          • Борис Штерн:

            Вообще-то один из нейтринщиков, причем весьма успешных (SAGE) работает у нас в редакции, будучи моим замом. Как мы любим оскорбляться, а за других — особенно!

  • Алексей:

    Интересно, а у черной дыры может быть магнитное поле? Не за счет аккреции плазмы туда, а за счет вращения и заряда.

  • res:

    Там еще были интересные работы о влиянии сильного взаимодействия в ЧД и НЗ. Учет такового приводил к заметному изменению пороговых характеристик. Ройзен из ФИАНа, кажется, этим занимался.

  • Dmitri Gorskin:

    Название переводчика статьи нелепое, дезинформирующее студентов.
    Нейтрино изучаются десятилетия (например в Баксанской неитринной обсерватории возле г. Нальчик), но только от центра Замли, Солнца, звезды сверхновой 1987.
    От остальных источников не получается из-за низкой чувствительности датчиков нейтрино и низкой энергии неитрино.
    И из-за того, что в стандартной теор. модели физиков нейтрино не имеют массы покоя.
    Нет теории, по которой эти датчики можно создавать.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com