В этом художественном рендеринге блазар ускоряет протоны, которые производят пионы, которые производят нейтрино и гамма-лучи. Нейтрино всегда являются результатом адронной реакции, такой как показанная здесь. Гамма-лучи могут быть получены как в адронных, так и в электромагнитных взаимодействиях. (Icecube / НАСА)

Космический первый: обнаружены нейтрино сверхвысоких энергий из пылающих галактик по всей Вселенной

В 1987 году мы обнаружили нейтрино из другой галактики в сверхновой. После 30-летнего ожидания мы нашли что-то еще лучше.

Одна из величайших загадок в науке определяет не только то, что там, но и то, что создает сигналы, которые мы обнаруживаем здесь, на Земле. Уже более века мы знаем, что молния во Вселенной - это космические лучи: частицы высокой энергии, исходящие далеко за пределы нашей галактики. В то время как некоторые источники для этих частиц были идентифицированы, подавляющее большинство из них, включая наиболее энергичные, остаются загадкой.

На сегодняшний день все это изменилось. Сотрудничество IceCube, 22 сентября 2017 года, обнаружило нейтрино сверхвысокой энергии, которое прибыло на Южный полюс, и смогло определить его источник. Когда серия гамма-телескопов посмотрела на ту же позицию, они не только увидели сигнал, но и определили блазар, который в тот момент вспыхнул. Наконец, человечество обнаружило, по крайней мере, один источник, который создает эти ультраэнергетические космические частицы.

Когда черные дыры питаются веществом, они создают аккреционный диск и перпендикулярную к нему биполярную струю. Когда на нас указывает струя из сверхмассивной черной дыры, мы называем ее объектом BL Lacertae или блазаром. В настоящее время считается основным источником космических лучей и нейтрино высоких энергий. (NASA / JPL)

Вселенная, куда бы мы ни смотрели, полна вещей, на которые можно смотреть и взаимодействовать. Материя объединяет галактики, звезды, планеты и даже людей. Излучение проходит через Вселенную, охватывая весь электромагнитный спектр. И в каждом кубическом сантиметре пространства можно найти сотни призрачных частиц с крошечной массой, известных как нейтрино.

По крайней мере, их можно было бы найти, если бы они взаимодействовали с какой-либо заметной частотой с нормальным веществом, которым мы умеем манипулировать. Вместо этого нейтрино должно было бы пройти через световой год свинца, чтобы иметь 50/50 столкновения с частицей там. В течение десятилетий после его предложения в 1930 году мы не могли обнаружить нейтрино.

Реактор ядерного экспериментального RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, показывающий характерное черенковское излучение от испускаемых частиц быстрее света в воде. Нейтрино (или, точнее, антинейтрино), впервые выдвинутые Паули в 1930 году, были обнаружены в аналогичном ядерном реакторе в 1956 году. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

В 1956 году мы впервые обнаружили их, установив детекторы прямо за пределами ядерных реакторов, всего в нескольких футах от места образования нейтрино. В 1960-х годах мы построили достаточно большие детекторы - подземные, защищенные от других загрязняющих частиц, - чтобы обнаружить нейтрино, производимые Солнцем и столкновениями космических лучей с атмосферой.

Тогда, в 1987 году, только сверхъестественность дала нам сверхновую, настолько близкую к дому, что мы могли обнаружить нейтрино от нее. Эксперименты, проводимые в совершенно несвязанных целях, обнаружили нейтрино из SN 1987A, открыв эру многопользовательской астрономии. Насколько мы могли судить, нейтрино путешествовали по Вселенной с энергиями, неотличимыми от скорости света.

Остаток сверхновой 1987a, расположенный в Большом Магеллановом Облаке, на расстоянии около 165 000 световых лет. Тот факт, что нейтрино прибыли за несколько часов до того, как первый световой сигнал дал нам больше информации о продолжительности прохождения света через слои звезды сверхновой, чем о скорости движения нейтрино, которая была неотличима от скорости света. Нейтрино, свет и гравитация, похоже, теперь движутся с одинаковой скоростью. (NOEL CARBONI & ESA / ESO / NASA PHOTOSHOP FITS LIBERATOR)

В течение примерно 30 лет нейтрино от этой сверхновой были единственными нейтрино, которые, как мы когда-либо подтверждали, были из-за пределов нашей собственной Солнечной системы, а тем более нашей родной галактики. Но это не значит, что мы не получали более отдаленные нейтрино; это просто означало, что мы не могли идентифицировать их с каким-либо известным источником в небе. Хотя нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, они более склонны взаимодействовать, если они имеют более высокую энергию.

Вот тут и начинается нейтринная обсерватория IceCube.

Обсерватория IceCube, первая в своем роде нейтринная обсерватория, предназначена для наблюдения за этими неуловимыми высокоэнергетическими частицами из-под антарктического льда. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Глубоко в ледяном покрове Южного полюса IceCube заключает кубический километр твердого материала в поисках этих почти безмассовых нейтрино. Когда нейтрино проходят через Землю, есть вероятность взаимодействия с частицей. Взаимодействие приведет к потоку частиц, которые должны оставить безошибочные сигнатуры в детекторе.

На этой иллюстрации нейтрино взаимодействовало с молекулой льда, производя вторичную частицу - мюон, которая движется с релятивистской скоростью во льду, оставляя за собой след синего света. (Николь Р. Фуллер / NSF / ICECUBE)

За шесть лет работы IceCube они обнаружили более 80 высокоэнергетических космических нейтрино с энергией свыше 100 ТэВ: более чем в десять раз больше, чем у любых частиц на LHC. Некоторые из них даже достигли высоты PeV, достигая энергии в тысячи раз больше, чем нужно для создания даже самых тяжелых из известных фундаментальных частиц.

Тем не менее, несмотря на все эти нейтрино космического происхождения, которые прибыли на Землю, мы еще никогда не сравнивали их с источником на небе, который предлагает определенное местоположение. Обнаружение этих нейтрино является огромным подвигом, но если мы не сможем сопоставить их с реальным наблюдаемым объектом во Вселенной - например, это также можно наблюдать в некоторой форме электромагнитного света - мы не имеем понятия о том, что их создает.

Когда нейтрино взаимодействует в чистом антарктическом льду, он производит вторичные частицы, которые оставляют след синего света, когда они проходят через детектор IceCube. (Николь Р. Фуллер / NSF / ICECUBE)

У теоретиков не возникло проблем с идеями, в том числе:

  • гиперновые, самые сверхсветовые из всех сверхновых,
  • гамма-всплески,
  • вспыхивающие черные дыры,
  • или квазары, самые большие активные черные дыры во Вселенной.

Но это потребует доказательств, чтобы решить.

Пример высокоэнергетического нейтринного события, обнаруженного IceCube: нейтрино с энергией 4,45 ПэВ, поразившее детектор в 2014 году. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO NUSERVATORY / NSF / UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON)

IceCube отслеживал и выпускал релизы с каждым найденным ими нейтрино сверхвысокой энергии. 22 сентября 2017 года было замечено еще одно подобное событие: IceCube-170922A. В выпущенном выпуске они заявили следующее:

22 сентября 2017 года IceCube обнаружил гусеничное событие с очень высокой энергией и высокой вероятностью астрофизического происхождения. Событие было идентифицировано с помощью выбора события трека Extremely High Energy (EHE). Детектор IceCube находился в нормальном рабочем состоянии. События EHE обычно имеют вершину взаимодействия нейтрино, которая находится вне детектора, производят мюон, который проходит через объем детектора, и имеют высокий уровень освещенности (прокси для энергии).
Космические лучи омывают частицы, ударяя протоны и атомы в атмосфере, но они также излучают свет благодаря черенковскому излучению. Наблюдая как космические лучи с неба, так и нейтрино, которые падают на Землю, мы можем использовать совпадения, чтобы раскрыть происхождение обоих (СИМОН МЕЧТО (У. ЧИКАГО), НАСА)

Это начинание интересно не только для нейтрино, но и для космических лучей в целом. Несмотря на то, что мы видели миллионы космических лучей высоких энергий в течение более чем столетия, мы не понимаем, откуда происходит большинство из них. Это верно для протонов, ядер и нейтрино, созданных как в источнике, так и через каскады / ливни в атмосфере.

Вот почему удивительно, что наряду с предупреждением IceCube также дал координаты того, где это нейтрино должно было возникнуть на небе, в следующей позиции:

  • RA: 77,43 градуса (-0,80 градуса + 1,30 градуса, 90% удержания PSF) J2000
  • Дек: 5,72 градуса (-0,40 градуса + 0,70 градуса, 90% удержания PSF) J2000

И это привело наблюдателей, пытающихся провести последующие наблюдения по всему электромагнитному спектру, к этому объекту.

Впечатление художника об активном ядре галактики. Сверхмассивная черная дыра в центре аккреционного диска посылает в космос узкую высокоэнергетическую струю вещества, перпендикулярную диску. Блазар, находящийся на расстоянии около 4 миллиардов световых лет, является источником этих космических лучей и нейтрино. (DESY, LAB НАУЧНАЯ КОММУНИКАЦИЯ)

Это блазар: сверхмассивная черная дыра, которая в настоящее время находится в активном состоянии, питаясь материей и разгоняя ее до огромных скоростей. Блазары похожи на квазары, но с одним важным отличием. В то время как квазары могут быть ориентированы в любом направлении, один из его джетов всегда будет направлен прямо на Землю. Их называют блазарами, потому что они «пылают» прямо на вас.

Этот конкретный блазар известен как TXS 0506 + 056, и когда множество обсерваторий, в том числе обсерватория Ферми НАСА и наземный телескоп MAGIC на Канарских островах, немедленно обнаружили гамма-излучение, исходящее от него.

Около 20 обсерваторий на Земле и в космосе провели последующие наблюдения за местом, где IceCube наблюдал нейтрино в сентябре прошлого года, что позволило идентифицировать то, что ученые считают источником нейтрино очень высокой энергии и, следовательно, космических лучей. Помимо нейтрино наблюдения по всему электромагнитному спектру включали гамма-излучение, рентгеновское излучение, а также оптическое и радиоизлучение. (Николь Р. Фуллер / NSF / ICECUBE)

Не только это, но и когда пришли нейтрино, было обнаружено, что блазар находится в пламенном состоянии, что соответствует наиболее активным потокам, которые испытывает такой объект. Начиная с пика и оттока, исследователи, связанные с IceCube, прошли десятки записей до вспышки 22 сентября 2017 года и искали любые нейтринные события, которые могли бы возникнуть из позиции TXS 0506 + 056.

Немедленная находка? Нейтрино прибыли с этого объекта в несколько очередей, охватывающих многие годы. Комбинируя нейтринные наблюдения с электромагнитными, мы смогли надежно установить, что высокоэнергетические нейтрино производятся блазарами, и что у нас есть возможность обнаруживать их даже на таком большом расстоянии. TXS 0506 + 056, если вам интересно, находится на расстоянии около 4 миллиардов световых лет.

Blazar TXS 0506 + 056 является первым идентифицированным источником высокоэнергетических нейтрино и космических лучей. Эта иллюстрация, основанная на изображении НАСА Ориона, показывает местонахождение блазара, расположенного на ночном небе рядом с левым плечом созвездия Ориона. Источник находится на расстоянии около 4 миллиардов световых лет от Земли. (Icecube / НАСА / НФС)

Огромное количество может быть изучено только из этого одного наблюдения за несколькими посланниками.

  • Было доказано, что блазары являются по крайней мере одним источником космических лучей.
  • Чтобы произвести нейтрино, вам нужны распадающиеся пионы, а те, которые создаются ускоренными протонами.
  • Это является первым убедительным доказательством ускорения протонов черными дырами.
  • Это также демонстрирует, что блазар TXS 0506 + 056 является одним из самых ярких источников во Вселенной.
  • Наконец, из сопровождающих гамма-лучей мы можем быть уверены, что космические нейтрино и космические лучи, по крайней мере иногда, имеют общее происхождение.
Космические лучи, создаваемые астрофизическими источниками высоких энергий, могут достигать поверхности Земли. Когда космический луч сталкивается с частицей в атмосфере Земли, он производит поток частиц, которые мы можем обнаружить с помощью массивов на земле. Наконец, мы обнаружили их основной источник. (СОТРУДНИЧЕСТВО АСПЕРЫ / АСТРОЧАСТИЧНЫЙ ЭРАНЕТ)

По словам Фрэнсис Халзен, главного исследователя нейтринной обсерватории IceCube,

Интересно, что в сообществе астрофизиков сложилось общее мнение о том, что блазары вряд ли будут источниками космических лучей, и вот мы ... Способность собирать телескопы по всему миру, чтобы сделать открытие с использованием различных длин волн и в сочетании с детектором нейтрино. как IceCube знаменует собой веху в том, что ученые называют «мультимедийной астрономией».

Эпоха мультимедийной астрономии официально наступила, и теперь у нас есть три совершенно независимых и взаимодополняющих взгляда на небо: со светом, с нейтрино и с гравитационными волнами. Мы узнали, что блазары, некогда считавшиеся маловероятным кандидатом на генерацию высокоэнергетических нейтрино и космических лучей, фактически создают и то, и другое.

Это впечатление художника о далеком квазаре 3C 279. Биполярные струи - это общая черта, но крайне редко можно встретить такую ​​струю, направленную прямо на нас. Когда это происходит, у нас есть Blazar, который, как теперь подтверждают, является источником как космических лучей высокой энергии, так и нейтрино сверхвысоких энергий, которые мы наблюдаем годами. (ESO / M. KORNMESSER)

С этим открытием официально открывается новая научная область - нейтринная астрономия высоких энергий. Нейтрино больше не являются побочным продуктом других взаимодействий или космического любопытства, которое едва выходит за пределы нашей Солнечной системы. Вместо этого мы можем использовать их в качестве фундаментального исследования Вселенной и основных законов самой физики. Одной из основных целей создания IceCube была идентификация источников высокоэнергетических космических нейтрино. С идентификацией Blazar TXS 0506 + 056 как источника этих нейтрино и гамма-лучей, это одна космическая мечта, которая наконец осуществилась.

Starts With A Bang теперь на Forbes и переиздан на Medium благодаря нашим сторонникам Patreon. Итан является автором двух книг «За галактикой» и «Трекнология: Наука звездного пути от трикодеров до Варп Драйв».