Теперь у нас есть убедительные доказательства того, что Млечный Путь является источником высокоэнергетических нейтрино

Композитное изображение Млечного Пути, полученное с помощью нейтринной астрономии

Учёные нейтринной обсерватории IceCube представили новое поразительное изображение нашей галактики Млечный Путь, увиденной с помощью трудноуловимых частиц — нейтрино. Этот новый анализ, статья с которым опубликована в журнале Science, стал самым убедительным на сегодняшний день доказательством того, что Млечный Путь — это источник высокоэнергетических нейтрино, что проливает дополнительный свет на происхождение высокоэнергетических космических лучей.

«Я помню, как сказала, что на данном этапе истории человечества мы первые, кто видит нашу галактику не только в свете», — говорит физик Дрексельского университета и сотрудник IceCube Наоко Курахаши Нейлсон о том моменте, когда она и два аспиранта впервые изучили изображение. «Наблюдение нашей собственной Галактики, впервые использующее частицы вместо фотонов, — это огромный шаг. По мере развития нейтринной астрономии мы получим новый объектив для наблюдения за Вселенной».

Как сообщалось ранее, с тех пор как французский физик Пьер Оже в 1939 г. предположил, что космические лучи должны нести в себе невероятное количество энергии, учёные ломают голову над тем, что же порождает эти мощные скопления протонов и нейтронов, обрушивающиеся на атмосферу Земли. Один из способов определить источник — проследить пути, пройденные высокоэнергетическими космическими нейтрино на пути к Земле, поскольку они образуются при столкновении космических лучей с веществом или излучением, в результате чего образуются частицы, которые затем распадаются на нейтрино и гамма-лучи.

Большинство охотников за нейтрино закапывают свои эксперименты глубоко под землю, чтобы исключить шумовые помехи от других источников. В случае с IceCube речь идёт о массивах оптических сенсоров размером с баскетбольный мяч, зарытых глубоко в антарктический лёд. В тех редких случаях, когда пролетающее мимо нейтрино взаимодействует с ядром атома во льду, в результате столкновения образуются заряженные частицы, излучающие фотоны ультрафиолетового и синего цвета. Их и улавливают датчики. Таким образом, у IceCube есть все возможности для того, чтобы помочь учёным расширить свои знания о происхождении высокоэнергетических космических лучей.

Одним из мощных возможных источников высокоэнергетических космических лучей служат активные галактические ядра, расположенные в центре некоторых галактик. Их энергия обусловлена сверхмассивными чёрными дырами в центре галактики и/или вращением этих чёрных дыр. Обнаружить источники высокоэнергетических нейтрино в космосе нелегко, учитывая большое количество фоновых нейтрино и других частиц в атмосфере Земли. Например, IceCube регистрирует около 100 млн мюонов на каждое обнаруженное им нейтрино. В 2018 году IceCube зафиксировал вспышку нейтрино, которая, по-видимому, исходила от одного из типов активных ядер — блазара. Но для того чтобы согласовать это наблюдение с существующими нейтринными моделями, необходимо было найти другие подобные источники космических нейтрино.

Художественное изображение источника космических нейтрино, светящего над обсерваторией IceCube на Южном полюсе. Подо льдом находятся фотодетекторы, улавливающие сигналы нейтрино.

В 2020 году коллаборация IceCube проанализировала данные, собранные в период с 2008 по 2018 год. Они обнаружили интригующий намёк на 63 избыточных нейтрино, приходящих со стороны четырёх активных галактических ядер, хотя только одно из них, Мессье 77 (оно же NGC 1068), достигло статистической значимости. Но даже в этом случае она составила всего 2,9 сигмы, что не соответствует требованиям, предъявляемым к открытию; это могло быть просто случайное колебание фона.

Поэтому в прошлом году учёные IceCube вновь обратились к данным, используя методы машинного обучения для более точной реконструкции траекторий и энергий фотонов, улавливаемых детекторами. Затем учёные повторно обработали те же 10-летние данные. Результат: превышение фонового уровня на 79 нейтрино со статистической значимостью 4,2 сигма. Таким образом, Мессье 77 действительно стал сильным кандидатом на один из таких источников высокоэнергетических нейтринных.

Нейтринный вид (карта голубого неба) на фоне изображения Млечного Пути, выполненного художником.

А что же с нашей Галактикой Млечный Путь? Более плотные участки внутренней галактической плоскости Млечного Пути — наиболее вероятные места для обнаружения интенсивного потока нейтрино, поскольку при такой плотности должно происходить больше столкновений, в результате которых образуются нейтрино. Проблема заключается в том, что IceCube в основном слеп к этой части южного неба, поскольку нейтрино не нужно проходить сквозь Землю, что позволяет отсеять большую часть шума от других частиц.

Существует два основных вида световых закономерностей, которые IceCube может обнаружить в своих каналах. Один из них — это треки, образующиеся при взаимодействии нейтрино с частицами льда, в результате чего возникает направленная вспышка света. Эти события, как правило, указывают на определённую область неба, поэтому легче определить, откуда пришло нейтрино. Более сложные картинки — это каскадные «пушистые шары света», как их называет Нейлсон, неопределённость в отношении направления у которых гораздо больше, что затрудняет определение источника нейтрино.

Два изображения галактики Млечный Путь. Верхнее изображение получено с помощью видимого света, а нижнее — первое изображение, полученное с помощью нейтрино.

Учёные IceCube применили передовые методы машинного обучения к десятилетним данным наблюдений, чтобы выявить и реконструировать эти каскадные события. В частности, они разработали алгоритм сравнения относительного положения, размера и энергии более чем 60 000 нейтринных каскадов, зарегистрированных за 10-летний период. Полученное изображение выявило ряд ярких точек, соответствующих местам в Млечном Пути, которые предположительно служат источниками высокоэнергетических нейтрино.

«Наблюдаемый избыток нейтрино из галактической плоскости является убедительным доказательством того, что Млечный Путь — источник высокоэнергетических нейтрино», — заключили авторы, и этот вывод согласуется с распределением и ожидаемыми взаимодействиями космических лучей с межзвёздным газом в Млечном Пути, выявленными в результате гамма-наблюдений.

В дальнейшем учёные будут обращаться к следующему поколению нейтринных детекторов для дальнейшего развития зарождающейся области нейтринной астрономии, таких как нейтринный телескоп кубического километра (KM3NeT) в Средиземном море, российский детектор гигатонного объёма (GVD), тропический глубоководный нейтринный телескоп (TRIDENT) на шельфе Китая, канадский P-One и планируемый IceCube-Gen2, который должен быть установлен глубоко в антарктических льдах в ближайшие четыре года или около того. «По мере того как обсерватории нового поколения начнут раскрывать отдельные источники космических лучей, мы, в конечном счёте, ответим на вопросы об их происхождении и движущей силе, а также, возможно, откроем новые окна в Млечный Путь», — написал в сопроводительной статье Луиджи Антонио Фуско, физик из Университета Салерно в Италии.