Нейтринная обсерватория IceCube помогла ученым впервые заглянуть в сердце активной галактики NGC 1068. «Хайтек» объясняет, почему это важно и как удалось ученым.
Результаты исследования представили на научном онлайн-вебинаре, в котором приняли участие эксперты, журналисты и ученые со всего мира.
Что сделали ученые?
Международная группа астрономов впервые обнаружила свидетельства эмиссии нейтрино высокой энергии от галактики NGC 1068 на расстоянии 47 млн световых лет от Земли. Также она известна как Мессье 77 и находится в созвездии Кита. Из-за своей яркости и активности, NGC 1068 — одна из самых известных и хорошо изученных объектов. Ее обнаружили еще в 1780 году, а сейчас ее можно наблюдать в большой бинокль.
Несмотря на то, что ученые много знают NGC 1068, наблюдать ее скрытую нейтринную активность было не так уж просто. Почему именно, расскажем чуть позже.
Как им это удалось?
Ученые обнаружили нейтрино благодаря обсерватории IceCube. Это массивный нейтринный телескоп, охватывающий миллиард тонн обработанного льда на глубине от 1,5 до 2,5 км под поверхностью Антарктиды недалеко от Южного полюса.
Авторы и права: Николь Р. Фуллер, IceCube/NSF
Это уникальная обсерватория, которая исследует самые дальние уголки Вселенной здесь, на Земле, с помощью нейтрино. Именно благодаря ему ученые сообщили о первом наблюдении высокоэнергетического источника нейтрино в 2018 году. Речь идет об объекте TXS 0506+056, мощном блазаре, который находится у левого плеча Ориона — созвездия в 4 млрд световых лет от Земли.
Когда нейтрино взаимодействует с молекулами в прозрачном антарктическом льду, он производит вторичные частицы. Они оставляют след синего света, проходя через детектор IceCube.
В общей сложности, он накопил около 80 нейтрино тераэлектронвольтной энергии от NGC 1068. Как объясняют авторы нового исследования, им удалось «поймать» частицы благодаря тщательному обновлению калибровки детектора. Работа экспертов по эксплуатации оборудования улучшила реконструкцию направления нейтрино. Простыми словами, физики смогли точнее отследить путь частиц из NGC 1068.
Что такое нейтрино?
Нейтрино — общее название для нейтральных фундаментальных частиц с полуцелым спином. Их особенность в том, что они участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях и относятся к классу лептонов. Сейчас физикам известно о трех разновидностях этих частиц: электронных, мюонных и тау-нейтрино, а также соответствующих им античастицах. Еще одна особенность нейтрино в том, что у них очень маленькая масса и нет заряда. Они рождаются в термоядерных реакциях звезд и взрывах сверхновых.
Изучение этих частиц — одно из важнейших направлений в физике. С их помощью ученые находят и изучают эффекты, которые находятся за пределами Стандартной модели.
Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Современную формулировку завершили около 20 лет назад после экспериментального подтверждения существования кварков.
С помощью солнечных нейтрино астрономы исследуют процессы, которые происходят на Солнце в режиме реального времени.
Как «работает» нейтрино?
В отличие от света, нейтрино могут вырваться из чрезвычайно плотных сред во Вселенной и достигать Земли. Материя и электромагнитные поля, которые пронизывают внегалактическое пространство, на них практически не влияют.
Хотя ученые придумали нейтринную астрономию более 60 лет назад, слабое взаимодействие частиц с веществом и излучением невероятно затрудняет их обнаружение. Но это все равно очень важно. Ученые называют нейтрино «ключом», который поможет изучить самые экстремальные объекты в космосе.
Что известно о галактическом «поставщике нейтрино»?
Как и в случае с Млечным Путем, NGC 1068 — это спиральная галактика с перемычкой, свободно закрученными рукавами и относительно небольшой центральной «выпуклостью». Однако, в отличие от нашей галактики, NGC 1068 — активный объект. Это значит, что большую часть излучения производят не звезды, а материал, который попадает в центральную черную дыру. Она в миллионы раз массивнее, чем Солнце и даже Стрелец A* — неактивная ЧД в центре нашей галактики.
Также NGC 1068 относится к сейфертовским галактикам II типа.
Сейфертовская галактика — спиральная или неправильная галактика с активным ядром, спектр излучения которого содержит множество ярких широких полос, что указывает на мощные выбросы газа со скоростями до нескольких тысяч километров в секунду. У объектов II типа есть характерное яркое ядро, также они кажутся яркими, если наблюдать их в инфракрасном диапазоне.
Главная проблема
NGC 1068 видна с Земли под таким углом, что ее центральная область, где расположена черная дыра, скрыта от наблюдений. Процессы внутри нее остаются тайной. Также в сейфертовских галактиках II типа тор из ядерной пыли затеняет большую часть высокоэнергетического излучения. Его производит плотная масса газа и частиц, которые медленно и по спирали движутся внутрь к центру галактики.
Все это, плюс радиация, должно блокировать гамма-лучи. В противном случае они «сопровождали» бы нейтрино и помогали ученым. Теперь, когда физики откалибровали детекторы IceCube и все же зафиксировали неуловимые частицы из ядра NGC 1068, то больше узнают об окружающей среде вокруг сверхмассивных черных дыр, без учета гамма-излучения.
Почему подсчет нейтрино из галактик так важен?
Как отмечают авторы исследования, благодаря нейтринным измерениям TXS 0506+056 и NGC 1068 IceCube на один шаг приблизился к ответу на вопрос о происхождении космических лучей, который ученые задают больше ста лет.
Авторы и права: Мартин Вольф, IceCube/NSF
Сейчас ученые знают, что они представляют собой потоки из отдельных и не связанных между собой заряженных частиц, которые с огромной скоростью «прилетают» из космического пространства. В них преобладают протоны, но также присутствуют электроны, ядра гелия и более тяжелых химических элементов.
Кроме того, исследование помогло ученым понять, что во Вселенной может быть еще много подобных объектов. Их еще только предстоит идентифицировать.
Что дальше?
В будущем, NGC 1068 станет эталоном для нейтринных телескопов, считают авторы исследования. Да, это уже очень хорошо изученный объект для астрономов. Но нейтрино позволят ученым увидеть эту галактику совершенно по-другому.
Читать далее:
Названы последствия последней солнечной бури, которая обрушилась на Землю
Массивный удар космического объекта запустил магнитное поле Земли
Огромный туннель под египетским храмом «скрывал» загадочные артефакты
Источники:
Доказательства эмиссии нейтрино из соседней активной галактики NGC 1068, Science (2022)
Нейтрино раскрывают скрытую галактическую активность, Science (2022)
На обложке: спиральная галактика с перемычкой NGC 1068
Авторы: НАСА, ЕКА, Алекс Филиппенко (Калифорнийский университет в Беркли), Уильям Спаркс (STScI), Луис С. Хо (KIAA-PKU), Мэтью А. Малкан (UCLA), Алессандро Капетти (STScI), Алисса Паган (STScI)