Нейтрино — самые быстрые, легкие, необщительные и наименее изученные фундаментальные частицы, и ученые только сейчас способны обнаруживать высокоэнергетические частицы, прибывающие из глубокого космоса. Настоящая работа обеспечивает первую правдоподобную связь между одиночным внегалактическим объектом и одним из этих космических нейтрино.
Хотя нейтрино намного превосходит количество всех атомов во Вселенной, они редко взаимодействуют с веществом, что затрудняет их обнаружение. Но это же свойство позволяет нейтрино быстро выходить из мест, куда свет не может легко уйти, таких как ядро коллапсирующей звезды, и почти беспрепятственно перемещаться по Вселенной.
Нейтрино могут предоставить информацию о процессах и средах, которые просто недоступны при изучении только света.Недавно нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе обнаружила первые свидетельства потока внеземных нейтрино, что было названо прорывом в мире физики 2013 года. На сегодняшний день научная группа IceCube Neutrino объявила о сотне сверхвысоких энергий. нейтрино и прозвали самые экстремальные события в честь персонажей детского сериала «Улица Сезам».
4 декабря 2012 года IceCube зарегистрировал событие, известное как Большая птица, нейтрино с энергией, превышающей 2 квадриллиона электрон-вольт (ПэВ). Чтобы представить это в перспективе, это более чем в миллион миллионов раз больше, чем энергия стоматологического рентгеновского излучения, упакованного в одну частицу, которая, как считается, обладает массой менее одной миллионной массы электрона.
Большая птица была нейтрино с самой высокой энергией, когда-либо обнаруженным в то время, и до сих пор занимает второе место.Откуда это? Лучшее положение IceCube только сузило источник до участка южного неба около 32 градусов в поперечнике, что эквивалентно видимому размеру в 64 полных луны. «Это похоже на расследование на месте преступления, — говорит ведущий автор Матиас Кадлер, профессор астрофизики Вюрцбургского университета в Германии. — Дело касается взрыва, подозреваемого и различных косвенных улик».
Начиная с лета 2012 года спутник НАСА Ферми стал свидетелем резкого повышения яркости PKS B1424-418, активной галактики, классифицированной как гамма-блазар. Активная галактика — это типичная галактика с компактным и необычно ярким ядром.
Избыточная светимость центральной области создается за счет падения вещества на сверхмассивную черную дыру, которая в миллионы раз превышает массу нашего Солнца. По мере приближения к черной дыре часть материала превращается в струи частиц, движущиеся наружу в противоположных направлениях почти со скоростью света.
В блазарах одна из этих струй направлена почти прямо на Землю.Во время годовой вспышки PKS B1424-418 светил в гамма-лучах в 15–30 раз ярче, чем в среднем до извержения. Блазар находится в области источника Большой Птицы, но также и многие другие активные галактики, обнаруженные Ферми.
Затем ученые, ищущие источник нейтрино, обратились к данным долгосрочной программы наблюдений под названием TANAMI. С 2007 года TANAMI регулярно отслеживает около 100 активных галактик на южном небе, включая множество вспыхивающих источников, обнаруженных Ферми. Три радионаблюдения с 2011 по 2013 год охватывают период вспышки Ферми. Они показывают, что ядро галактического джета стало ярче примерно в четыре раза.
Ни одна другая галактика, наблюдаемая TANAMI за время существования программы, не продемонстрировала столь драматических изменений.«Внутри своих струй блазары способны ускорять протоны до релятивистских энергий.
Взаимодействие этих протонов со светом в центральных областях блазара может создавать пионы. Когда эти пионы распадаются, образуются как гамма-лучи, так и нейтрино», — объясняет Карл Мангейм. Соавтор исследования и профессор астрономии в Вюрцбурге, Германия. «Мы прочесали область, откуда, должно быть, возникла Большая Птица, в поисках астрофизических объектов, способных производить частицы высокой энергии и свет», — добавляет соавтор Фелиция Крау, докторант Университета Эрланген-Нюрнберг в Германии. «Был момент изумления и трепета, когда мы поняли, что самая драматическая вспышка, которую мы когда-либо видели в блазаре, произошла в нужном месте в нужное время».В статье, опубликованной в понедельник, 18 апреля, в журнале Nature Physics, команда предполагает, что вспышка PKS B1424-418 и Большая птица связаны, рассчитывая лишь 5-процентную вероятность того, что два события произошли случайно.
Используя данные Fermi, спутников NASA Swift и WISE, LBA и других объектов, исследователи определили, как энергия извержения распределяется по электромагнитному спектру, и показали, что оно достаточно мощное, чтобы производить нейтрино с энергией ПэВ.«Принимая во внимание все наблюдения, у блазара, похоже, были средства, мотив и возможность выстрелить нейтрино Большой Птицы, что делает его нашим главным подозреваемым», — объясняет Матиас Кадлер.Фрэнсис Халзен, главный исследователь IceCube в Университете Висконсин-Мэдисон, не участвовавший в этом исследовании, считает, что результат является захватывающим намеком на будущее. «IceCube собирается отправлять оповещения в режиме реального времени, когда регистрирует нейтрино, которые могут быть локализованы в области размером чуть больше половины градуса или чуть больше видимого размера полной луны», — заключает он. «Мы медленно открываем нейтринное окно в космос».
Но это исследование также демонстрирует жизненную важность классических астрономических наблюдений в эпоху, когда новые методы обнаружения, такие как нейтринные обсерватории и детекторы гравитационных волн, открывают новые, но неизвестные небеса.