Группа международных исследователей, работающая в рамках эксперимента KM3NeT — глубоководной нейтринной обсерватории в Средиземном море, зафиксировала уникальное событие: они детектировали ультра‑высокоэнергетическое нейтрино с оценочной энергией около 220 петаэлектронвольт (ПэВ), что является самым высоким значением, зафиксированным на сегодняшний день. Международный коллектив ученых, использующий в том числе данные российского радиотелескопа РАТАН-600 на Северном Кавказе, провел многочастотный анализ, направленный на поиск источников данного события, и сосредоточил внимание на активных ядрах галактик, известных как блазары. По результатам их работы вышел препринт, авторами которого стали ученые из международного консорциума KM3NeT и нескольких групп астрофизиков, в том числе российские авторы из Специальной астрофизической обсерватории (САО) РАН и Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН, Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), МФТИ и Казанского государственного университета (КГУ).

Начиная с середины XX века исследователи пытались разгадать природу космических лучей — частиц, достигающих Земли с космических источников с поразительными энергиями. Особый интерес представляет исследование нейтрино — почти не взаимодействующих с веществом элементарных частиц, которые способны переносить информацию о самых экстремальных процессах во Вселенной. 

Пионерским событием стал случай, зарегистрированный обсерваторией IceCube в 2017 году, когда очередное детектирование нейтрино было связано с блазаром TXS 0506+056, что открыло новую эру в астрономии. В 2024-м году международный коллектив ученых, исследовав данные, собранные нейтринным телескопом ANTARES за последние его 13 лет работы, также установил значительную корреляцию между потоками высокоэнергетических нейтрино и направлениями на активные ядра галактик. 

Теперь ученые KM3NeT, используя новейшие технологии и методы, продолжают эти исследования, стремясь установить связь между нейтрино и механизмами ускорения частиц в космических источниках.

220 ПэВ — это огромная энергия. Рекорд энергии частиц, которого удалось достичь на Большом адронном коллайдере, более чем в 30 тысяч раз меньше. Подобную энергию получить не так-то просто — для этого должны существовать особые экстремальные условия, в которых возможно такое ускорение частиц. Чтобы выделилась энергия, которой обладает одна элементарная частица в этом ультра‑высокоэнергетическом потоке, необходимо аннигилировать больше 200 миллионов атомов водорода, превратив всю их массу в энергию. 

Блазары — это особая группа активных ядер галактик (AGN), в которых узкие, сильно релятивистские джеты направлены почти прямо в сторону Земли. Именно эти объекты способны излучать огромную энергию в широком спектральном диапазоне — от радио до гамма‑лучей, а изучение вспышечных процессов в их джетах может служить ключом к пониманию ускорения космических лучей. Цель исследования, поставленная коллективом KM3NeT, состояла в том, чтобы изучить характеристики детектированного нейтрино, а также провести поиск потенциальных источников, блазаров, чья активность могла бы быть связана с данным событием.

Событие регистрации нейтрино с энергией около 220 ПэВ получило обозначение KM3‑230213A. Оно было зафиксировано детектором, расположенным у берегов Сицилии, который позволил ограничить область неопределенности направления потока частиц до углового радиуса в 3 градуса с доверительной вероятностью 99 %.

Чтобы разобраться, откуда могло прийти это загадочное послание, ученые проделали многоступенчатый анализ. Сначала они провели сбор многочастотных данных, используя архивные данные и новые, специально проведенные наблюдения. Были проанализированы данные в радиодиапазоне, полученные с помощью РСДБ-сетей и одиночных радиотелескопов (OVRO, РАТАН-600 и др.)), а также рентгеновские (Swift‑XRT, Chandra, eROSITA), гамма- (Fermi‑LAT) и оптические данные. Затем на основе методик, разработанных в предыдущих исследованиях, была составлена выборка из 17 кандидатов‑блазаров. После этого исследователи провели анализ временных корреляций — поиск связи во времени между вспышками в различных диапазонах (радио, рентген, гамма) и временем прихода нейтрино. Наиболее примечательной оказалась радио‑вспышка, зафиксированная в объекте PMN J0606‑0724, совпавшая с событием KM3‑230213A с вероятностью случайного совпадения всего лишь 0,26 %.

Хотя прямая ассоциация нейтрино с каким-либо конкретным блазаром не может быть окончательно подтверждена при имеющемся на сегодняшний день объеме данных, обнаруженные корреляции — особенно в радиодиапазоне — дают важные подсказки о том, что процессы, происходящие в блазарах, могут способствовать образованию ультра‑высокоэнергетических нейтрино.

Новизна предложенного подхода заключается в комплексном использовании многочастотных данных для изучения нейтрино‑событий. Ранее исследования в этой области опирались преимущественно на отдельные диапазоны — радио, гамма или рентген. Сегодня же, благодаря синергии данных из различных спектральных областей, ученые получают возможность более точно локализовать источник нейтрино и оценить его физические параметры.

«Результаты нашей работы подчеркивают важность объединения наблюдений в различных диапазонах – от радио до гамма‑лучей — для всестороннего понимания экстремальных процессов во Вселенной, — рассказал Александр Попков, научный сотрудник лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ. — Понимание того, как в блазарах возникают ультра‑высокоэнергетические нейтрино, может привести к пересмотру моделей ускорения космических лучей, что, в свою очередь, имеет значение для фундаментальной физики и космологии».

Важно отметить, что проводимые исследования имеют важное значение не только с точки зрения фундаментальной науки о космических объектах, но и для прикладных задач на Земле. Разработка новых методов анализа и использования данных с высокой временной разрешающей способностью способна стимулировать совершенствование нейтринных обсерваторий и телескопов будущего. Улучшенные модели могут помочь астрономам планировать целевые наблюдения в периоды вспышек, что важно для исследования динамических процессов в активных ядрах галактик. Понимание процессов, приводящих к образованию высокоэнергетических частиц, может оказаться полезным для оценки потенциального влияния космических лучей на работу спутников и космических миссий. 

Российские участники исследования поддержаны Минобрнауки РФ в рамках крупного научного проекта «Изучение происхождения, источников и свойств нейтрино на Байкальском нейтринном телескопе и других установках мирового класса», грант 075-15-2024-541.