По мнению астрономов, наиболее вероятным источником нейтрино с рекордной энергией, зафиксированного подводным телескопом KM3NeT в Средиземном море, является определенный космический объект. Энергия этой частицы достигает 220 петаэлектронвольт. Если предположение ученых подтвердится, то новое открытие позволит выяснить, в каких областях Вселенной формируются частицы с колоссальной энергией, а также прояснить принципы работы блазаров – одних из самых мощных явлений в космосе.
Нейтрино часто называют «призрачными» частицами из-за их слабого взаимодействия с материей – они могут свободно проходить сквозь огромные объекты, такие как планеты. Именно эта особенность делает их обнаружение крайне сложной задачей. Тем не менее, эти частицы представляют большую ценность для астрономов, так как позволяют получать сведения из самых удаленных и труднодоступных областей космоса.
В феврале 2020 года детектор KM3NeT/ARCA зафиксировал событие KM3-230213A, ставшее рекордным. Обнаруженная энергия этой частицы была настолько велика, что исследователи немедленно приступили к поиску её возможных источников. В качестве потенциальных объяснений рассматривались космические лучи, обладающие сверхвысокими энергиями, а также неизвестные экстремальные объекты, находящиеся в Млечном Пути. Тем не менее, ни одна из гипотез не показалась полностью достоверной.
Альтернативный вариант развития событий был представлен международной исследовательской командой во главе с Оскаром Адриани из Университета Флоренции (Италия). Специалисты полагают, что таинственные нейтрино могли быть выброшены блазарами — активными ядрами галактик, где сверхмассивная черная дыра генерирует потоки вещества, движущиеся почти со скоростью света.
Когда одна из этих струй направлена к Земле, объект выглядит крайне интенсивно и хорошо различим. Ранее исследователи уже получали непрямые свидетельства того, что блазары могут генерировать нейтрино с высокими энергиями. Так, в 2018 году обсерватория IceCube способствовала установлению связи между одним нейтринным событием и блазаром TXS 0506+056. При этом энергии нового события оказались значительно выше.
Авторы недавнего научного исследования предложили иной подход: вместо того чтобы анализировать влияние отдельного блазара, они смоделировали вклад целой группы подобных объектов. В расчетах была использована программа Astro-Multi-messenger Modeling, которая описывает процессы, происходящие внутри релятивистских джетов — струй вещества, выбрасываемых из области вокруг черной дыры. В модели также были рассмотрены столкновения протонов с фотонами и процессы рождения пионов, в итоге происходит распад, который порождает гамма-кванты и нейтрино, а также другие процессы, характерные для астрофизики высоких энергий.
Настроив параметры модели таким образом, чтобы она соответствовала появлению высокоэнергетических нейтрино и не вступала в противоречие с данными, полученными другими телескопами, ученые пришли к выводу, что блазары, вероятно, являются источником потока нейтрино с необходимой энергией.
По всей видимости, наиболее вероятным является сценарий, при котором протоны внутри джетов ускоряются с узким диапазоном энергий. При этом энергия, накопленная в них, приблизительно в десять раз больше, чем энергия электронов. Важно отметить, что данная модель не противоречит уже зафиксированному фоновому гамма-излучению Вселенной.
В подобных условиях блазары оказывают незначительное влияние на поток нейтрино с низкими энергиями, который постоянно фиксирует IceCube. Это наводит на мысль, что различные энергетические диапазоны во Вселенной формируются разными типами космических ускорителей.
По мнению Адриани и его соавторов, полученные результаты пока что опираются лишь на данные об одном необычном явлении, что обуславливает значительную статистическую неточность. Тем не менее, даже единичный случай регистрации частицы с такой энергией требует переосмысления потенциала астрофизических объектов.
С увеличением площади покрытия сети KM3NeT и получением дополнительных данных, исследователи получат возможность подтвердить, являются ли блазары источниками нейтрино с наивысшей энергией в космическом пространстве. Результаты научной работы опубликованы в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.