Международный коллектив ученых, включающий российских астрофизиков, проанализировал данные расположенного в Средиземном море нейтринного телескопа ANTARES, чтобы определить, являются ли мощные активные ядра галактик, блазары, источниками высокоэнергичных нейтрино. Установлена значительная корреляция между потоками высокоэнергетических нейтрино в космосе и электромагнитным излучением, идущим от блазаров. Работа опубликована в Astrophysical Journal.
Нейтрино — это электрически нейтральные частицы, существующие в нескольких разновидностях. Отличие массы нейтрино от нуля доказано десятками разнообразных экспериментов, но сама масса пока не измерена. Эти частицы крайне сложно изучать, так как они почти не взаимодействуют с веществом.
Долгое время источник космических нейтрино оставался загадкой. Предполагалось, что они должны образовываться во взаимодействиях частиц, ускоренных до энергий, превышающих достижимые на Большом адронном коллайдере. Еще в 1977 году Березинским и Гинзбургом было высказано предположение, что источником нейтрино могут быть активные ядра далеких галактик. Однако конкретный механизм, в результате которого вещество вокруг сверхмассивных черных дыр в центрах галактик порождает нейтрино, пока не до конца понятен ученым. В последние несколько лет разные группы ученых активно работают над тем, что подтвердить связь нейтрино с блазарами экспериментально.
Международный коллектив ученых провел одну из таких очень важных работ. Они использовали данные, собранные нейтринным телескопом ANTARES за последние его 13 лет работы. Целью было проверить гипотезу о корреляции между потоками высокоэнергетических нейтрино и направлениями на активные ядра галактик.
Связь между нейтрино высоких энергий и астрофизическими объектами в науке как правило, носит лишь статистический характер. Для более полного понимания этой связи важно сравнивать результаты наблюдений, полученные с помощью различных инструментов. Это позволит лучше охарактеризовать энергетический спектр астрофизических нейтрино и выявить возможные систематические эффекты, связанные с их обнаружением.
Ранее поиски нейтринного сигнала от блазаров проводились на основе каталога ярких объектов в гамма-диапазоне. Однако последние исследования показывают, что гамма-излучение и вспышки могут быть не строго коррелированы с источниками нейтрино. Это связано с тем, что адронные гамма-лучи, рождающиеся вместе с нейтрино, быстро теряют энергию в каскадных процессах, что усложняет установление статистической связи между ними на основе наблюдений.
Вероятно, более надежным индикатором релятивистской активности в окрестности источника может служить синхротронное радиоизлучение от джетов блазаров, наблюдаемое на Земле. В работах российских ученых 2020-2023 годов, выполненных в МФТИ, ФИАН им. Лебедева и ИЯИ РАН, было найдено наблюдательное подтверждение этого в данных нейтринной обсерватории IceCube. Цель работы ANTARES — проверить этот эффект в данных независимого эксперимента. Таким образом, подход многоканальной астрономии, использующий различные типы излучения, поможет прояснить механизмы рождения высокоэнергетичных нейтрино в активных ядрах галактик.
Рисунок 1. Карта экваториального неба, показывающая расположение блазаров VLBI (красные точки) вместе со средней плотностью трекоподобных и ливнеподобных событий ANTARES на квадратный градус. Плотность событий в заданной точке неба получается путем деления числа событий, обнаруженных в конусе радиусом 10° вокруг этой точки, на телесный угол конуса. Поверхность маркеров пропорциональна плотности потока VLBI 8 ГГц. Блазары, расположенные в серой области на высоких склонениях, находятся за пределами поля зрения ANTARES. Черная пунктирная линия показывает плоскость галактики, а центр галактики представлен черной звездой. Источник: Astrophysical Journal
Корреляционный анализ был основан на подсчете количества пар «нейтрино — блазар», в которых угол между направлением прихода нейтрино и направлением на блазар достаточно мал. Чтобы оценить требуемые параметры для исследования использовалось моделирование методом Монте-Карло.
Кроме того, была исследована зависимость функции вероятности от времени.
Рисунок 2. Карта неба в экваториальных координатах, показывающая положения блазаров VLBI, совпадающих с 3 σ-вспышками, обнаруженными в данных ANTARES (оранжевые точки). Два блазара с наиболее значительными избытками показаны оранжевым цветом, а красная точка указывает на один отдельно хорошо изученный блазар. Также показаны положения галактической плоскости (пунктирная линия) и галактического центра (звезда). Источник: Astrophysical Journal
Конечный результат работы можно представить в виде гистограммы, показывающей, насколько часто наблюдаемый эффект можно было бы получить случайно. В данных было зарегистрировано 18 совпадений, имеющих предварительную значимость более трех стандартных отклонений, а в моделированных случайных наборах данных такое случается редко, лишь в 1.4% случаев.
Рисунок 3. Кумулятивный избыток вспышек 3σ, обнаруженный в данных ANTARES. Вертикальная линия указывает их реально наблюдаемое количество (18), а гистограмма представляет их количество в случайных реализациях моделированного набора данных. Вероятность наблюдения 18 или более источников с предварительной значимостью вспышки выше 3σ составляет 1,4%. Источник: Astrophysical Journal
В качестве последующего исследования результатов этого анализа полученные наиболее подходящие нейтринные вспышки были сравнены с кривыми радиоизлучения, полученными Радиообсерваторией Caltech долины Оуэнс для тех используемых в этой работе источников, для которых такие данные доступны.
«В нашей статье мы представили первые результаты по исследованию взаимосвязи нейтрино, зафиксированных ANTARES, с блазарами, равномерно выбранными по их яркому радиоизлучению, — рассказал Юрий Ковалев, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ на момент публикации статьи. — Нейтринное излучение блазаров, по-видимому, сильно переменно и, вероятно, коррелирует с электромагнитными вспышками. Тем не менее ситуация далека от ясности, и другие классы источников нейтрино должны внести свой вклад. Нейтринное небо может быть разнообразным, во всяком случае, часть высокоэнергичных событий приходит из нашей Галактики. Все нейтринные обсерватории, IceCube, KM3NeT и Baikal-GVD, постоянно совершенствуются, чтобы обеспечить больше обнаружений с более точным и надежным определением направлений. В ближайшие годы можно ожидать увеличения значимости наблюдаемой корреляции между блазарами и нейтрино. Продолжаются программы радионаблюдений, цель которых — помочь в надежной идентификации совпадений и лучшем понимании связи между нейтрино и блазарами».
«Важно отметить, что эта работа — один из редких в последние годы примеров доведенного до журнальной публикации сотрудничества крупного европейского коллектива с российскими учеными,» — отмечает один из авторов статьи, член-корр. РАН Сергей Троицкий, главный научный сотрудник ИЯИ РАН. — «Коллеги из ANTARES заинтересовались нашими работами по публичным данным IceCube и сами обратились к нам с предложением проверить эти результаты с помощью данных их эксперимента. Результат — эта вышедшая недавно статья. Следующая задача — изучение происхождения нейтрино в блазарах с помощью нового нейтринного телескопа Baikal-GVD на озере Байкал, рабочий объем которого уже сейчас превышает ANTARES почти в 30 раз и продолжает наращиваться».
