Впервые в истории астрономам удалось установить источник высокоэнергетических заряженных частиц, известных как нейтрино. Оказалось, что сверхмассивная черная дыра в центре галактики извергает не только потоки частиц, но и загадочные космические лучи, природа которых вызывает вопросы у ученых по всему миру.
Протоны и даже целые атомные ядра постоянно бомбардируют Землю, высвобождая огромное количество энергии — намного больше, чем все ученые мира смогли бы произвести во время самых амбициозных физических экспериментах. С момента открытия «космических лучей» минуло уже сто лет, но до сих пор никто не мог сказать наверняка, где находится источник самых богатых энергией частиц.
Неожиданное открытие
Но теперь ученые разгадали и эту загадку. В прошлый четверг исследователи из разных стран мира подтвердили, что обнаружили источник «сверхэнергетического» космического излучения благодаря данным, полученным при анализе поведения фотонов и нейтрино. Источник излучения весьма необычен: это блазар, сверхмассивная черная дыра в самом центре Млечного Пути, испускающая высокоэнергетические лучи в направлении нашей планеты. Это открытие — своего рода «изюминка» новой эпохи, в которой астрономия постепенно вступает в синтез с другими науками. Так, к примеру, изучение нейтрино чрезвычайно важно не только для самих астрономов, но и для физиков, изучающих природу частиц.
22 сентября 2017 года детектор IceCube на Южном полюсе обнаружил частицу, называемую нейтрино с невероятным количеством энергии — 290 тераэлектронвольт, что превышает энергию протона в состоянии покоя более чем в 290 000 раз! Даже эксперименты с протонами в Большом адронном коллайдере позволяли получить в десятки раз менее мощные частицы, несмотря на все старания ученых. С помощью детекторов астрономы вычислили источник нейтрино и разослали сообщение об этом по всему миру. Согласно Science, базар TXS 0506 + 056 отстоит от Земли на 4 миллиарда световых лет. Огромная черная дыра в центре галактики поглощает окружающие ее облака пыли и межзвездного вещества, испуская потоки высокоэнергетических частиц.
Работа длиной в столетие
Хотя само открытие произошло достаточно быстро, предпосылки к нему появлялись на протяжении всего столетия. В 1912 году австрийский физик Виктор Гесс понял, что радиационный фон атмосферы выше там, где частицы поражают Землю из космоса. Конечно, источниками излучения также служит Солнце и другие звезды огромной галактики, но ученые никогда не регистрировали, чтобы они испускали настолько высокоэнергетические частицы или даже целые атомные ядра. Последний раз подобные наблюдения проводились в 1987 году, когда физики изучали потоки света и нейтрино относительно хорошо известной сверхновой звезды. С тех пор ученые пытались проверить, соответствует ли истине то, что некоторые астрофизические объекты являются источниками различных сигнатур (к примеру — космическое излучение, оптический свет, радиоволны или те же нейтрино). Однако в 2010 году на Южном полюсе был установлен детектор IceCube, который замерил невероятно высокоэнергетические нейтрино, источник которых оставался в тайне для ученых.
Схематическое изображение IceCube
Теперь все точки над i наконец расставлены. В детекторе IceCube под полуторакилометровым слоем льда расположены 86 чувствительных струн, а более 5000 световых датчиков просвечивают ледяной куб с боковых сторон. Нейтрино взаимодействуют с веществом на Земле, и когда их энергии достаточно, то они проходят сквозь лед и создают своего рода «вспышку» из частиц. Эти частицы обычно движутся намного быстрее, чем обычно, а потому их легко засечь с помощью цифрового сканера.
«Благодаря спутнику Fermi мы исключили все побочные варианты и теперь уверены, что нейтрино исходят именно из черной дыры», поясняет Элиза Бернардини, профессор физики гамма-лучей и нейтринной астрофизики в Университете Гумбольдта в Берлине. После анализа данных, накопленных за почти 10 лет работы IceCube, физики и обнаружили, что наиболее высокоэнергетические нейтрино испускает именно TXS 0506 + 056.
Загадочные лучи из космоса
Но нейтрино — это всего лишь частицы, а как быть с загадочными космическими лучами? Их происхождение остается загадкой во много потому, что они распространяются не прямыми линиями, а изогнутыми, благодаря пронизывающим космос магнитным полям. Это означает, что если вы попытаетесь проследить их источник, то скорее всего сможете указать лишь приблизительное направление. Так и с блазаром: его излучение не попадает на Землю из-за многочисленных искривлений.
Однако это не касается нейтроном и фотонов. Некоторые физики предполагали, что дело вовсе не в загадочном излучении. Высокоэнергетические фотоны могут исходить не от космического излучения, а от электронов. Однако выяснилось, что столь высокоэнергетические нейтрино смогли бы появляться только в результате взаимодействия между адронами — частицами, состоящими из кварков: протонами, или, к примеру, даже целыми атомными ядрами. Так что в настоящее время рабочей теорией физиков остаются космические лучи.
Заключение
В результате кропотливой работы ученые выяснили, что огромная черная дыра в центре нашей галактики является источником высокоэнергетического гамма-излучения, а также производят протоны и ядра, которые в свою очередь являются источником нейтрино. Открытие далось исследователям нелегко: профессор Блэкман признает, что команде ученых просто повезло, что они направили телескопы в правильном направлении и смогли сопоставить множество разрозненных сведений. Однако многие вопросы остаются нерешенными до сих пор. Что это за загадочные космические лучи, из чего они состоят, откуда приходят — эти и многие другие загадки пока сокрыты от человечества.
