Первый крик нейтринной астрономии

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.

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, 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