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 1100. 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 13000 (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,  https://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.

    • То был ско­рее шепот по срав­не­нию…

    • Б.Штерн:

      Не фото­гра­фия, а факт реги­стра­ции сол­неч­ных ней­три­но. Но ради точ­но­сти мож­но ска­зать: экс­тра­сол­неч­ная. Вполне воз­мож­но, от Кра­ба или Вела-Х заре­ги­стри­ру­ют.

  • 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