Международный коллектив учёных исследовал излучение блазаров, чтобы определить, являются ли они источниками высокоэнергетических нейтрино. Установлена значительная корреляция между потоками высокоэнергетических нейтрино в космосе и электромагнитным излучением, идущим от блазаров. Работа опубликована в Astrophysical Journal.
Высокоэнергетические нейтрино относятся к космическим лучам — потоку частиц, постоянно прилетающих к нам из глубин космоса. Эти нейтрино сильно отличаются от остальных частиц космических лучей, которые в основном задерживаются в атмосфере Земли.
Нейтрино — это электрически нейтральные частицы, существующие в нескольких разновидностях. Учёные до сих пор не уверены, обладают ли они массой покоя. Эти частицы крайне сложно наблюдать, так как они почти не взаимодействуют с веществом.
Для обнаружения нейтрино используются специальные детекторы, представляющие собой огромные ёмкости с тяжёлой водой, расположенные глубоко под землёй. Только так можно зафиксировать редкие взаимодействия нейтрино с веществом.
Долгое время источник космических нейтрино оставался загадкой. Предполагалось, что они должны образовываться при ускорении частиц с энергиями, превышающими возможности Большого адронного коллайдера. В 2017 году было высказано предположение, что источником нейтрино являются блазары — активные ядра далёких галактик. Однако точный механизм, в результате которого вещество вокруг сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик порождает нейтрино, пока не до конца понятен учёным. В последние несколько лет разные группы учёных активно работают над тем, что подтвердить это предположение экспериментально.
Международный коллектив учёных провёл 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 наличием на их пути активных ядер галактик.
Связь между нейтрино высоких энергий и астрофизическими объектами в науке пока что 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, сопровождающие нейтрино, быстро теряют энергию в каскадных процессах, что усложняет установление статистической связи между ними на основе наблюдений.
Вероятно, более надёжным индикатором релятивистской активности в окрестности источника может служить синхротронное радиоизлучение от джетов блазаров, наблюдаемое на Земле. Таким образом, комплексный подход с использованием различных типов излучения поможет прояснить механизмы, ответственные за генерацию высокоэнергетических 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 путём деления числа событий, обнаруженных в конусе радиусом 10° вокруг этой точки, на телесный угол конуса. Поверхность маркёров пропорциональна плотности потока VLBI 8 ГГц. Блазары, расположенные в серой области на высоких склонениях, находятся за пределами поля зрения ANTARES. Чёрная пунктирная линия показывает плоскость галактики, а центр галактики представлен чёрной звездой. Источник: Astrophysical Journal
Корреляционный анализ был основан на подсчёте количества пар углов «нейтрино — блазар», в которых угол между направлением приёма нейтрино и направлением на блазар достаточно мал — меньше некоторого значения угловой неопределённости направления распространения нейтрино, полученного теоретически, умноженного на параметр x, значения которого изменялись в диапазоне от 0,1 до 2. Моделирование методом Монте-Карло использовалось, чтобы оценить требуемые параметры для исследования.
Рисунок 2. Результат двумерного сканирования по плотности потока радиоизлучения 8 ГГц и параметру x. Цветовой код указывает на p-значение достоверности результата. Источник: Astrophysical Journal
Кроме того, была исследована зависимость функции вероятности от времени.
Рисунок 3. 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
Для визуализации оценки конечного результата работы была построена гистограмма, показывающая случайное количество вспышек, со значимостью на уровне трёх сигма подтверждения корреляции с нейтрино и линия их наблюдаемого уровня. Построенный график наглядно показывает, что корреляции между вспышками блазаров и потоками нейтрино совсем не случайны.
Рисунок 4. Кумулятивный избыток вспышек 3 σ, обнаруженный в данных ANTARES. Вертикальная линия указывает на наблюдаемое количество, а гистограмма представляет количество источников в случайных реализациях. Вероятность наблюдения 18 или более источников с докризисной значимостью вспышки выше 3 σ составляет 1,4%. Источник: Astrophysical Journal
В качестве последующего исследования результатов этого анализа полученные наиболее подходящие нейтринные вспышки были сравнены с кривыми радиосвета, полученными Радиообсерваторией долины Оуэнс для тех используемых в этой работе источников, для которых доступны радиоданные.
«В нашей статье мы представили первые результаты по исследованию взаимосвязи нейтрино, зафиксированных ANTARES, с блазарами, равномерно выбранными по их яркому радиоизлучению, — рассказал Юрий Ковалёв, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ. — Нейтринное излучение блазаров, по-видимому, сильно варьируется 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, включая галактический компонент. Все нейтринные обсерватории, IceCube, KM3NeT и Baikal-GVD, постоянно совершенствуются, чтобы обеспечить больше обнаружений с лучшей направленной точностью и надёжностью. В ближайшие годы можно ожидать усиления наблюдаемой корреляции между блазарами и нейтрино. Продолжаются программы радионаблюдений, чтобы помочь в надёжной идентификации совпадений и лучшем понимании ассоциаций».
Источник: habr.com
