Черные дыры и «призрачное» нейтрино: астрономы предложили новый источник частиц сверхвысоких энергий

В феврале 2023 года подводный телескоп KM3NeT, расположенный на дне Средиземного моря, зафиксировал событие, которое ученые назвали KM3-230213A. Оно представляло собой нейтрино с энергией 220 петаэлектронвольт — самой высокой, когда-либо зарегистрированной. Нейтрино называют «призрачными» частицами, потому что они почти не взаимодействуют с веществом и могут проходить сквозь планеты незамеченными. Именно эта особенность делает их уникальными носителями информации из далеких уголков Вселенной.

Блазары как космические ускорители

Долгое время источник этого нейтрино оставался неясным. Ученые рассматривали различные варианты, включая космические лучи сверхвысоких энергий и неизвестные объекты внутри Млечного Пути, но ни одно объяснение не было убедительным. Международная группа под руководством Оскара Адриани из Университета Флоренции (Италия) выдвинула новую гипотезу: частица могла быть порождена блазарами — активными ядрами галактик, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Из окрестностей черных дыр выбрасываются релятивистские джеты — струи вещества, движущиеся почти с околосветовой скоростью. Если такая струя направлена в сторону Земли, объект становится чрезвычайно ярким и заметным.

Ранее ученые уже находили косвенные признаки того, что блазары способны производить нейтрино высоких энергий. Например, в 2018 году обсерватория IceCube связала одно нейтринное событие с блазаром TXS 0506+056. Однако энергия новой частицы оказалась много выше, поэтому потребовалось более детальное моделирование.

Как моделировали нейтрино

Чтобы проверить гипотезу, исследователи использовали программу Astro-Multi-messenger Modeling, которая описывает процессы внутри релятивистских джетов. В модели учитывались столкновения протонов с фотонами, рождение пионов, чей распад приводит к появлению гамма-квантов и нейтрино, а также другие высокоэнергетические процессы. Подбирая параметры так, чтобы модель одновременно объясняла появление сверхмощного нейтрино и не противоречила наблюдениям других телескопов, ученые обнаружили, что популяция блазаров действительно может создавать поток частиц с нужной энергией.

Наиболее вероятным сценарием оказался тот, где внутри джетов протоны ускоряются с очень жестким спектром энергий, причем их запасенная энергия примерно в 10 раз превышает энергию электронов. Примечательно, что модель остается совместимой с уже известным фоновым гамма-излучением Вселенной. При этом блазары практически не вносят вклад в поток нейтрино меньших энергий, которые регулярно регистрирует IceCube. Это может означать, что разные диапазоны энергий создаются разными типами космических ускорителей.

Авторы работы подчеркивают, что выводы пока основаны на одном событии, поэтому статистическая неопределенность высока. Однако даже одиночная регистрация частицы такой энергии заставляет пересматривать представления о возможностях астрофизических объектов. По мере расширения сети KM3NeT и накопления новых данных ученые смогут проверить, действительно ли блазары являются фабриками самых энергичных нейтрино во Вселенной. Результаты исследования опубликованы в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.