Нейтрино высоких энергий от ядер активных галактик

Нейтрино — одна из наименее изученных и наиболее удивительных элементарных частиц. В связи с уникальностью их свойств научный интерес к астрофизическим нейтрино, без преувеличения, огромен. Жизнь физиков, занимающихся элементарными частицами, была бы скучна после открытия бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере, если бы не результаты нейтринной астрономии. Новая область науки, астрофизика элементарных частиц, родилась с регистрацией нейтрино от первого астрофизического объекта, Солнца. Это явилось прямым подтверждением термоядерных реакций в недрах нашей звезды и были открыты осцилляции нейтрино, то есть изменения типа нейтрино в процессе их распространения, запрещенного в Стандартной модели физики частиц. Второй после Солнца фабрикой нейтрино оказалась, по результатам астрономических наблюдений, сверхновая 1987A. Исследования нейтрино привели уже к двум Нобелевским премиям (2002 и 2015 гг.). По оценке Нобелевского комитета в 2015 году, открытие нейтринных осцилляций «изменило наше понимание самой основополагающей структуры материи, ее истории и будущего Вселенной». Один из нас много лет назад участвовал в историческом семинаре в ГАИШ МГУ, когда академик Я.Б. Зельдович, обладатель трех Золотых Звезд Героя Труда, в своем докладе восторженно рисовал захватывающие перспективы «новой космологии» в связи с обсуждением сенсационного сообщения советских физиков об открытии ими массы покоя нейтрино (которое, однако, не подтвердилось в дальнейшем — на самом деле масса нейтрино оказалась гораздо меньше, чем тогда думали).

Уже семь лет назад расположенная глубоко подо льдом на Южном полюсе нейтринная обсерватория IceCube объявила об открытии внеземных нейтрино с энергиями выше десятков тераэлектронвольт (ТэВ). Зарегистрированы сотни таких событий, но происхождение их было загадкой — хотя нейтрино распространяются прямолинейно и должны, с точностью до ошибок реконструкции, указывать на их астрофизические источники. Нейтрино столь высоких энергий могут рождаться в реакциях рассеяния ультрарелятивистских протонов на среде (протон-протон) или излучении (протон-фотон). Потому настолько интересно разобраться в их источниках. Источники должны указывать на «космические супер-ускорители», которые могли бы разгонять протоны до энергий, на порядки превышающих достигнутые на Большом адронном коллайдере.

В непосредственной близости центральных сверхмассивных черных дыр в квазарах условия для такого ускорения могут выполняться. Тем не менее, предыдущие попытки поиска популяции источников нейтрино, основанные на каталогах ярких в гамма-диапазоне квазаров, не привели к успеху. Лишь для одного нейтрино (с энергией 290 ТэВ), зарегистрированного 22 сентября 2017 года, был найден, по сопутствующему гамма-излучению, вероятный источник — далекий квазар TXS 0506+056, — в то время как для десятков других подобных событий аналогичный анализ ничего не выявил. А вдруг это случайное, одно на 10 лет, совпадение?

В нашей работе мы предложили новый подход и воспользовались многолетними данными наблюдений сетей радиотелескопов. Именно радиоинтерферометры со сверхдлинными базами (РСДБ) позволяют достичь самого лучшего углового разрешения в астрономии и «разглядеть» наиболее близкие к центральным чёрным дырам области квазаров. Сравнение направлений прихода нейтрино и положений РСДБ-ярких квазаров позволило сделать статистически значимый вывод о происхождении нейтрино с энергиями выше 200 ТэВ в центрах ярких квазаров. Ключевым моментом в этом открытии стало использование радиоастрономических данных. Найденный ранее TXS 0506+056 оказался одним, хотя далеко не самым выдающимся, представителем обнаруженного класса источников нейтрино.

Центральные области активных галактик нестационарны. Падение вещества на чёрную дыру и непрерывный отток струи релятивистской плазмы от ее окрестности происходят неравномерно. В частности, время от времени выбрасываются сгустки плазмы повышенной плотности. Это видно на полученных методом РСДБ изображениях, а полный радиопоток излучения квазара в такие периоды возрастает. Связано ли рождение нейтрино с такими вспышками? Трудоемкость и высокая стоимость РСДБ наблюдений не позволяет ответить на этот вопрос на основе имеющихся данных — каждый отдельный квазар наблюдается редко. Для проверки возможной связи нейтрино с такими вспышками мы использовали данные мониторинга квазаров, ведущегося уже несколько десятков лет на радиотелескопе РАТАН-600 Специальной астрофизической обсерватории РАН на Северном Кавказе. В его рамках по 3-4 раза в год наблюдается около тысячи активных галактик. Для данной задачи РАТАН-600 был и остается уникальным инструментом в мире благодаря массовым практически мгновенным измерениям многочастотных спектров широкодиапазонного радиоизлучения.

Мы отобрали около 1100 компактных активных галактик, наблюдавшихся на РАТАН-600 одновременно на 6 длинах волн от 1.4 до 30 см в 2009–2019 годах (период работы IceCube) по нескольку раз в год и проанализировали корреляцию радиовспышек в них с моментами регистрации нейтрино высоких энергий с этих направлений. И действительно, оказалось, что нейтрино «предпочитают» приходить в те моменты, когда в квазарах наблюдается вспышка радиоизлучения (см. рисунок). Такое поведение независимо подтверждает происхождение нейтрино в центрах квазаров.

Превышение нормированного потока радиоизлучения квазаров, совпадающих с нейтрино, над средним в зависимости от времени до/после прихода нейтрино (усреднено по выборке).

Работа по тематике «нейтрино-квазары» продолжается. Надо проверять и уточнять результаты, а также разбираться в механизме ускорения массивных протонов и рождения нейтрино. Это будет делаться как с помощью новых событий IceCube, так и с нейтрино, зарегистрированными из Северного полушария новым нейтринным телескопом на озере Байкал. Этот телескоп Baikal-GVD уже набирает данные в неполной конфигурации, а в 2021 году должен достигнуть эффективного рабочего объёма IceCube. Для изучения ассоциаций нейтрино и радиоквазаров программными комитетами выделено наблюдательное время как на РСДБ-сетях, так и на РАТАН-600.

У студентов физического факультета МГУ есть замечательная возможность разделить с нами удовольствие от занятий этой молодой наукой, нейтринной астрономией. Причем, на выбор как теория, так и эксперимент. Рецепт прост: обращайтесь на кафедру физики частиц и космологии.

А.В. Плавин, Ю.Ю. Ковалев,

Ю.А. Ковалев, С.В. Троицкий

5 июня 2020 года было опубликовано решение о присуждении заве дующему кафедрой физики частиц и космологии, академику РАН Валерию Анатольевичу Рубакову Гамбургской премии по теоретической физике.

В преамбуле к награде отмечается, что важнейшие продвижения в раскрытии загадки происхождения Вселенной, совершенные исследовательскими коллаборациями мира в течение последних нескольких лет, зачастую опирались на работы Валерия Анатольевича.

Сердечно поздравляем Валерия Анатольевича!