Меню

Рождение нейтринной астрономии

Что такое Ice Cube

Это большой детектор мюонов в Антарктиде, его рабочее тело — кубический километр льда. В лед вморожены 86 струн с фотоумножителями по 60 штук на каждой, на глубине 1,5–2,5 км. Объект наблюдения — мюоны высоких энергий, родившиеся от взаимодействия нейтрино со льдом. Мюоны и  продукты их взаимодействия с веществом излучают черенковский свет, который распространяется во льду на десятки метров и попадает в фотоумножители. нейтринная астрономия alter idea Точность восстановления направления мюона — 0,5–0,3° в зависимости от энергии. Точность восстановления энергии довольно плохая, так детектор видит лишь часть трека, потери мюона при взаимодействии с веществом стохастические, и их зависимость от энергии — логарифмическая. Надежно определяется лишь низший предел по энергии. Подавляющее большинство нейтрино,  регистрируемых «Ледяным кубом», — атмосферные: прилетает протон очень большой энергии, рождает в воздухе каскад частиц, среди которых есть и нейтрино. Однако поток  атмосферных нейтрино быстро убывает с энергией. Чтобы породить нейтрино, частица должна распасться, а с ростом энергии растет распадная база, и ее уже не хватает — частица вместо распада взаимодействует с веществом. Поэтому нейтрино с очень большой энергией (больше 100 ТэВ),скорее всего, прилетели из далекого космоса. Ice Cube зарегистрировал в два с лишним раза больше нейтрино (54 против 20 ± 6 на начало 2017 года) очень высоких энергий (больше 30 ТэВ), чем могут дать атмосферные ливни. Этот избы- ток называется «астрофизические нейтрино».

Что такое «блазар»

Блазар — одно из проявлений сверхмассивных черных дыр, сидящих в центрах галактик. Самое общее название этих объектов — «активные галактические ядра». Светят эти ядра за счет излучения вещества, стягивающегося в черную дыру. Это вещество образует так называемый аккреционный диск, который светит в ультрафиолете и рентгене. Если активное галактическое ядро очень мощное, оно называется «квазар». Аккреционные диски некоторых квазаров светят в 10 тыс. раз ярче всей нашей галактики, хотя такие объекты очень редки. Квазары гораздо чаще встречались в молодой Вселенной — при красном смещении больше 1, пик их распространенности приходится на первые 1–4 млрд лет существования Вселенной. Мы их прекрасно видим с расстояния несколько миллиардов световых лет. Сейчас их очень мало, зато остались активные галактические ядра умеренной мощности. блазар alter idea Аккреционный диск — не единственная примечательная деталь активного галактического ядра. Еще есть джеты струи замагниченной плазмы, истекающие перпендикулярно аккреционным дискам, вдоль оси вращения черной дыры. Они движутся почти со скоростью света, так называемый лоренц-фактор джета обычно составляет 15–20, иногда выше 50. Лоренц-фактор показывает, во сколько раз замедляется время в движущейся системе отсчета, или на сколь- ко надо умножить энергию массы покоя частицы, чтобы получить ее полную энергию. Из-за большого лоренц-фактора всё, что излучают частицы джета, направлено вперед в конусе с раствором 1/(лоренц-фактор) — получается своего рода прожектор. Если мы попадаем  в луч это- го прожектора, называем, что видим, блазаром. А видим мы довольно удивительные вещи. Основной поток энергии от объекта приходит- ся на жесткий гамма-диапазон. ГэВы, десятки ГэВ даже сотни ГэВ, поток до миллионов светимостей Галактики во всем диапазоне, если не знать, что это луч прожектора, и пересчитывать на весь телесный угол. Излучение блазаров перекрывает весь электромагнитный спектр и затмевает родительскую галактику. Блазары условно делятся на два класса. Более мощные называются Flat Specrtum Radio Quasaras (FSRQ). Русского термина нет. Это редкие монстры, но и видны они издалека с красных смещений 3–4, поэтому составляют половину всех объектов, видимых в гамма-лучах. Менее мощные называются BL Lacerta (BL Ящерицы), сокращенно BL Lac. Русскоязычный термин существует —«лацертиды», но используется редко. Они отличаются не только меньшей мощностью, но и большей жесткостью излучения. Там почти отсутствует радио и оптика, зато идет мощный поток гамма-квантов энергии в десятки и сотни ГэВ. BL Lac'ов намного больше, но и видны они с меньших расстояний, с красных смещений в пределах 0,5. Физически BL Lac и FSRQ отличаются в первую очередь режимом аккреции. Вторые — квазары в период бурного роста. Первые — истощенные квазары — гигантская черная дыра на месте, но вещества поступает мало, аккреционный диск светит слабо,основная энергия, по-видимому, берется из запасенной ранее энергии вращения черной дыры. В джетах FSRQ частицы высоких энергий «вязнут» в очень сильном излучении аккреционного диска и его окрестностей. В лацертидах ничто не мешает частицам ускоряться до сверх высоких энергий, по этому они издавна считались наиболее вероятными канди датами в источники частиц сверхвысо ких энергий, включая нейтрино. Если сравнивать блазары с ускорителями,то FSRQ — очень мощный сильноточный ускоритель на умеренные энергии, BL Lac — ускоритель на огромные энергии с малой интенсивностью. Блазар TXS 0506 — типичный BL Lac, по наблюдаемой яркости входит в первые полсотни BL Lac'ов, но находится довольно далеко для этого класса объектов. Его красное смещение 0,33, так что абсолютная яр- кость довольно велика.

Что именно зарегистрировали

22 сентября 2017 года Ice Cube зарегистрировал мюон от нейтрино энергии по меньшей мере 180 ТэВ (наиболее вероятное значение — 290 ТэВ), совпадающий по направлению прихо- да с TXS 0506 с точностью плюс-минус полградуса.  Вероятность,  что  данный  фотон  совпадет с такой точностью с данным объектом, ~10–5. Однако таких блазаров, совпадение с  которыми привлекло бы внимание, не меньше  сотни,  и нейтрино подобных энергий — порядка десяти. Поэтому вероятность, что какое-то высокоэнергетичное нейтрино совпадет с каким-то доста- точно ярким блазаром,— около 1/100. Этого явно недостаточно, чтобы претендовать на открытие. нейтрино alter idea Косвенным подтверждением, что TXS 0506 имеет отношение к делу, стало то, что это нейтрино совпало по времени со вспышкой этого объекта, наблюдавшейся в гамма-квантах высокой энергии. Но более сильное свидетельство дали архивные раскопки. Авторы открытия проверили все нейтрино, которые приходили с данного направления (кружок размером градус вокруг TXS 0506). В основном там оказались нейтрино умеренных энергий до 10 ТэВ, среди которых преобладают атмосферные. Но в конце 2014-го — начале 2015 года с исследованного пятачка пришла целая пачка нейтрино энергии выше средней. Вероятность случайного появления такой пачки — примерно 1/3000 (3,5 σ). Вместе с нейтрино 2017 года это становится уже достаточно сильным свидетельством, чтобы заявлять об открытии нейтринного излучения от данного объекта. Таким образом, рождение нейтринной астрономии, о котором так долго говорили и мечта- ли астрофизики разных стран, состоялось!
Добавил: Alter Idea Дата: 2018-07-24 Раздел: Наука и технологии
в начало