Нейтринная обсерватория IceCube обнаружила нейтрино высоких энергий от активного галактического ядра (АЯГ) в центре галактики Мессье 77. Галактика, также известная как NGC 1068, содержит сверхмассивную черную дыру, и наблюдения открывают окно в бурные процессы, которые, как считается, создают космические лучи.
Нейтрино — это неуловимые частицы, которые почти не взаимодействуют с другим веществом и могут легко проходить сквозь Землю. Кубик льда использует кубический километр льда под Южным полюсом для наблюдения чрезвычайно редких столкновений между космическими нейтрино и молекулами воды. Эти взаимодействия производят быстро движущиеся заряженные частицы, которые создают вспышки света во льду, называемые черенковским излучением. Свет улавливается сетью из более чем 5000 детекторов во льду, что позволяет физикам, работающим в коллаборации IceCube, выяснить, откуда взялись нейтрино.
IceCube объявил о своем первые наблюдения космических нейтрино высоких энергий в 2013 году и пять лет спустя он впервые обнаружил космическое нейтрино высокой энергии от типа АЯГ, называемого блазаром.
Теперь ученые IceCube сообщают о своей самой большой добыче высокоэнергетических нейтрино. Это 79 частиц из M77, галактики, состоящей из 47 миллионов световых лучей.–лет. Наблюдения были зарегистрированы в период с мая 2011 года по май 2020 года, и коллаборация считает, что нейтрино возникли из ядра AGN M77, которое в противном случае скрыто от нашего взгляда толстым тором из пыли и газа.
Связь с космическими лучами
Астрофизики считают, что 79 высокоэнергетических нейтрино были созданы, когда заряженные частицы, такие как протоны, ускорялись до высоких энергий магнитными полями в АЯГ. Некоторые из этих ускоренных частиц вырвутся из черной дыры и станут космическими лучами. Другие будут сталкиваться с частицами или фотонами внутри AGN, чтобы произвести небольшое количество мезонов. Затем эти мезоны быстро распадаются на гамма-лучи и нейтрино. В M77 гамма-лучи ослабляются пыльным тором галактики, но большая часть нейтрино проходит беспрепятственно, а некоторые в конечном итоге достигают Земли.
Весьма вероятно, что ускорение частиц связано с мощными закрученными магнитными полями, которые существуют внутри АЯГ. Однако неясно, где возникает это магнитное ускорение. Возможные места включают аккреционный диск материи, который закручивается в сверхмассивную черную дыру, или светящуюся корону — очень горячую область, непосредственно окружающую черную дыру. Другая возможность заключается в том, что ускорение происходит в струях вещества, вырывающихся из АЯГ в направлениях, перпендикулярных аккреционному диску.
Фрэнсис Халзен из Университета Висконсина, Мэдисон, который возглавляет сотрудничество IceCube, рассказывает Мир физики что наблюдения показывают, что нейтрино исходят из области АЯГ, называемой «коконом», это центральная область АЯГ, в которой материя выбрасывается наружу струями и покрывает корону.
Гамма-лучи не обнаружены
«Гамма-фотоны, которые неизбежно производятся вместе с нейтрино, теряют энергию в плотном ядре и появляются с более низкими энергиями», — объясняет он. «Это подчеркивается тем фактом, что спутник NASA Fermi [гамма-излучение] не обнаруживает источник в диапазоне энергий обнаруженных нейтрино».
Общепринятая точка зрения состоит в том, что большинство частиц и излучения, испускаемых АЯГ, возникают в горячем аккреционном диске, однако сомнения в достоверности этой тепловой модели излучения растут. Энди Лоуренс из Эдинбургского университета указывает, что некоторые АЯГ имеют переменную яркость, и эти колебания происходят слишком быстро, чтобы их можно было связать с изменениями в аккреционном диске. Лоуренс, который не участвует в сотрудничестве с IceCube, добавляет: «Возможно, более сложная теория диска плюс сопутствующая нетепловая эмиссия в короне диска или струе могли бы помочь».
Действительно, это последнее наблюдение IceCube, похоже, подтверждает идею о том, что ускорение частиц происходит в короне АЯГ, а не в аккреционном диске.
Следующее поколение
Хотя тайна ускорения частиц в АЯГ не может быть решена с помощью этих 79 нейтрино, и модернизация детектора под названием Ледяной куб поколения 2 должны быть завершены к 2033 году.
IceCube идентифицирует четыре галактики как вероятные источники космических лучей
Халзен говорит, что поколение 2 было разработано для изучения источников нейтрино, таких как AGN. «Детектор будет иметь более чем в восемь раз больший объем, чем IceCube, и, что важно, лучшее угловое разрешение. Комбинация этих двух факторов позволит обнаруживать данные за год, а не за десятилетие, как сейчас».
Мессье 77 — хорошо изученная галактика как любителями, так и профессиональными астрономами. Таким образом, понимание того, как она производит нейтрино высокой энергии, может позволить M77 стать Розеттским камнем для понимания других активных галактик.
Исследование описано в Наука.
