Призрак из юной Вселенной: астрономы поймали нейтрино, летевшее к нам 11 миллиардов лет

Астрономам удалось проследить путь высокоэнергетической «частицы-призрака» до галактики Shadow Blaster («Теневой разрушитель»), расположенной в 11 миллиардах световых лет от нас. Это означает, что данная частица — нейтрино — находилась в пути к Земле с тех самых пор, как возраст 13,8-миллиардолетней Вселенной составлял всего около трёх миллиардов лет.

Открытие представляет собой первое доказательство того, что галактики со вспышками звездообразования, подобные Shadow Blaster, играют заметную роль в наполнении Вселенной загадочными высокоэнергетическими космическими нейтрино. Своё пугающее прозвище эти частицы получили не случайно: обладая практически нулевой массой и нулевым электрическим зарядом, они проходят сквозь материю, почти не взаимодействуя с ней, и мчатся при этом на скорости, близкой к скорости света. Для наглядности: пока вы читали предыдущее предложение, сквозь каждый квадратный сантиметр вашего тела пронеслось более 65 миллиардов нейтрино — это около ста миллиардов на квадратный сантиметр.

Несмотря на колоссальные трудности с регистрацией этих частиц, человечество фиксирует нейтрино с 1960-х годов, однако идентифицированных источников этих частиц до сих пор известно крайне мало. Нейтрино — вторые по распространённости частицы в космосе после фотонов, частиц света, и обнаруженных источников категорически не хватает, чтобы объяснить эту повсеместность. Это побудило учёных искать новые, скрытые источники, особенно те, что способны ускорять нейтрино до высоких энергий. И вот эта охота привела к идентификации невероятно яркой галактики Shadow Blaster, официально обозначаемой как JCMT0402−0424 и сияющей в инфракрасном диапазоне, в качестве вероятного источника.

Почему именно Shadow Blaster?

«Shadow Blaster обладает той плотной, богатой газом средой, которая, согласно давним теоретическим моделям, способна эффективно производить высокоэнергетические нейтрино», — заявил Юджи Урата из компании MITOS Science Co. на Тайване. «Если это подтвердится, Shadow Blaster станет первой в истории отдельной пылевой галактикой со вспышкой звездообразования, напрямую связанной с высокоэнергетическим нейтринным событием».

На данный момент никаких других убедительных кандидатов на роль потенциального источника этого нейтрино, получившего обозначение IC 210922A, не существует.

Астрономы узнали о существовании IC 210922A пять лет назад, когда это нейтрино высокой энергии было зарегистрировано Нейтринной обсерваторией IceCube, расположенной в Антарктиде. Научное сообщество тут же принялось прочёсывать космос в направлении созвездия Эридана с помощью целого арсенала телескопов в поисках электромагнитного аналога этого события. Однако никакого убедительного гамма-, рентгеновского или оптического эквивалента обнаружено не было; не удалось связать IC 210922A ни с гамма-всплеском, ни со сверхновой, ни с событием приливного разрушения звезды чёрной дырой.

Урата и его коллеги начали собственный поиск с помощью телескопа имени Джеймса Клерка Максвелла (JCMT) Восточноазиатской обсерватории и Субмиллиметровой решётки (SMA) — и обнаружили Shadow Blaster. Галактика находилась в нужной точке неба и обладала должным уровнем яркости, чтобы её можно было ассоциировать с IC 210922A. Дальнейшее расследование команда провела с помощью Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решётки (ALMA) — массива из 66 радиотелескопов на севере Чили.

Космическая линза и спящая чёрная дыра

Обнаружить столь далёкую галактику удалось благодаря эффекту сильного гравитационного линзирования. Этот феномен возникает, когда объект огромной массы оказывается между Землёй и далёким фоновым источником, искривляя ткань пространства-времени. Свет фонового источника, проходя сквозь эту кривизну, меняет траекторию и прибывает к нашим телескопам в разное время, что приводит к его усилению.

В случае со Shadow Blaster, прежде чем команда смогла хоть что-то узнать о самой далёкой галактике, учёным пришлось выяснить природу объекта, служащего промежуточной гравитационной линзой: тип объекта, его массу и расстояние до него. Для этого они обратились к телескопу Gemini North с его спектрографами GMOS и GNIRS.

Построив модель гравитационной линзы, исследователи установили: Shadow Blaster — это галактика с чрезвычайно компактным ядром, заполненным плотными облаками газа и пыли, которые питают интенсивную вспышку звездообразования. Подобные регионы давно рассматривались теоретиками как мощные ускорители частиц. Поскольку у Shadow Blaster отсутствует активно питающаяся сверхмассивная чёрная дыра, данное исследование доказывает, что такие области способны служить космическими ускорителями, даже когда чёрные дыры в них пребывают в спящем состоянии и лишены мощных джетов, характерных для активных галактических ядер.

Что касается общей популяции нейтрино, эта работа способна пролить свет и на неё. Считается, что галактики с интенсивным звездообразованием, или галактики со вспышкой звездообразования, были широко распространены около 10 миллиардов лет назад в ранней Вселенной. Таким образом, эти галактики могли произвести несметное количество высокоэнергетических нейтрино. Доказать это, впрочем, будет непросто: не всем астрономам повезёт найти такие галактики укрывшимися за гравитационной линзой, и без неё большинство из них окажутся слишком тусклыми и далёкими для изучения.

«Наш анализ показывает, что эта популяция может обеспечивать примерно 20 процентов наблюдаемого диффузного нейтринного фона, измеренного IceCube», — заключил Урата.

Исследование команды было опубликовано в среду, 17 июня, в журнале Nature Astronomy. Материал подготовлен на основе пресс-релиза Международной обсерватории Gemini/NOIRLab/NSF и публикации в рецензируемом научном издании.