1185
Уявіть частинку, яка майже не має маси, не несе електричного заряду й пролітає крізь планети, зірки та вас особисто так, ніби матерії просто не існує. І тепер уявіть, що вченим вдалося простежити шлях однієї такої частинки назад на 11 мільярдів світлових років — до далекої галактики на прізвисько Shadow Blaster. Саме про це розповідає нова робота астрономів, описана виданням Space Astronomy.
Що відомо коротко
- Астрономи відстежили високоенергетичне нейтрино до галактики Shadow Blaster, розташованої на відстані приблизно 11 млрд світлових років.
- Це нейтрино, подія IC 210922A, зареєструвала обсерваторія IceCube на Південному полюсі у 2021 році.
- Shadow Blaster є щільною запиленою зоряутворюючою галактикою, де інтенсивно народжуються нові зорі.
- Галактика стала видимою завдяки гравітаційному лінзуванню — її світло підсилює масивний об’єкт, що лежить між нею та Землею.
- За оцінками команди, подібні зоряні «фабрики» можуть давати до 20% дифузного фону нейтрино, який вимірює IceCube.
Нейтрино-привиди: частинки, що пролітають крізь усе
Нейтрино часто називають «частинками-привидами». Вони майже не взаємодіють із речовиною, рухаються майже зі швидкістю світла й несуть інформацію про найекстремальніші процеси у Всесвіті.
Для масштабу: поки ви дочитували попереднє речення, через кожен квадратний сантиметр вашого тіла пройшло близько 100 мільярдів нейтрино. Майже всі вони пролетіли, ніби вас не існує. Саме тому вловити хоч одне високоенергетичне нейтрино та ще й знайти його джерело — завдання на межі фантастики.
Нейтрино — другі за чисельністю частинки у Всесвіті після фотонів, частинок світла. Але відомих джерел їх випромінювання явно не вистачає, щоб пояснити цю космічну «повінь». Тож фізики вже давно підозрювали, що десь є приховані фабрики нейтрино, які ми ще не навчилися розпізнавати.
Як «привид» IC 210922A вивів астрономів на Shadow Blaster
У 2021 році антарктична обсерваторія IceCube, вбудована в кілометрову товщу криги, зафіксувала подію високоенергетичного нейтрино, позначену як IC 210922A. Це був одиничний «удар» невидимої частинки, яка після мільярдів років польоту нарешті зіштовхнулася з часткою в крижаному детекторі.
Після цього телескопи по всьому світу почали «прочісувати» небо в напрямку сузір’я Ерідан, звідки приблизно прилетіло нейтрино. Астрономи шукали будь-який яскравий спалах — гамма-сплеск, наднову чи подію розриву зорі чорною дірою. Але жодне з цих відомих явищ так і не вдалося прив’язати до IC 210922A.
Команда Юдзі Урати (Yuji Urata) з MITOS Science Co., LTD. вирішила піти іншим шляхом. Вони використали телескоп James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) та інтерферометр Submillimeter Array (SMA), які працюють у субміліметровому діапазоні, чутливому до холодного пилу та газу.
Саме ці спостереження й виявили дуже яскраву, але сильно віддалену галактику, офіційно позначену як JCMT0402−0424, якій дали промовисте прізвисько Shadow Blaster. Вона виявилася в потрібному напрямку й з потрібною яскравістю, щоб стати головним кандидатом у джерела нейтрино.
Гравітаційна лінза: космічна лупа для далекої галактики
Однією з найцікавіших деталей є те, що побачити Shadow Blaster взагалі вдалося лише завдяки гравітаційному лінзуванню. Це явище працює як гігантська космічна лупа: масивний об’єкт між нами та далекою галактикою викривлює простір-час, змушуючи світло згинатися і підсилюватися.
У результаті світло далекої галактики досягає наших телескопів різними шляхами й у різний час, а сама галактика здається яскравішою, ніж є насправді. Без цієї гравітаційної «підказки» Shadow Blaster була б надто слабкою та далекою, щоб її розгледіти й тим більше вивчити.
Щоб зрозуміти, як саме працює ця космічна лупа, команда спочатку дослідила об’єкт-«лінзу» за допомогою телескопа Gemini North та його інструментів GMOS і GNIRS. Вимірявши масу, відстань та тип цього проміжного об’єкта, дослідники змогли побудувати модель лінзи й відновити справжні властивості Shadow Blaster.
Серце Shadow Blaster: природний прискорювач частинок
Модель показала, що Shadow Blaster має надзвичайно компактне ядро, наповнене густими хмарами газу й пилу. У цьому ядрі триває потужний спалах зореутворення — наче зоряна фабрика, що працює на повну потужність.
Теоретичні моделі вже давно припускали, що саме такі середовища можуть бути ефективними прискорювачами частинок. Потужні вибухи наднових, ударні хвилі та зіткнення потоків газу здатні розганяти частинки до екстремальних енергій, у тому числі й ті, що потім породжують високоенергетичні нейтрино.
Цікаво, що Shadow Blaster не має активно «їдучої» надмасивної чорної діри з яскравими джетами, як у активних ядер галактик (AGN). Це означає, що галактика може працювати як космічний прискорювач навіть тоді, коли її центральна чорна діра перебуває у «сплячому» стані, без потужних струменів плазми.
Раніше основну надію щодо джерел найенергійніших нейтрино покладали саме на такі активні ядра. Тепер же виявляється, що самі по собі зоряні фабрики — запилені галактики з інтенсивним зореутворенням — можуть відігравати не менш важливу роль.
Що це означає для походження космічних нейтрино
Зоряні «вибухонебезпечні» галактики, так звані starburst-галактики, за оцінками астрономів, були особливо поширені приблизно 10 мільярдів років тому, у молодому Всесвіті. Якщо Shadow Blaster — типовий представник цієї популяції, то подібні галактики могли виробляти величезні потоки високоенергетичних нейтрино протягом епохи активного формування зір.
Аналіз команди Урати свідчить, що такі галактики можуть забезпечувати до 20% спостережуваного дифузного фону нейтрино, який реєструє IceCube. Тобто істотна частка всіх космічних нейтрино, що безперервно «пробивають» Землю, може походити від давніх зоряних фабрик, подібних до Shadow Blaster.
Проблема в тому, що далеко не всі ці галактики нам так «пощастить» побачити через гравітаційну лінзу. Більшість із них занадто тьмяні й далекі, щоб їх детально дослідити сучасними інструментами. Тому перехоплення окремих нейтрино-привидів, як IC 210922A, стає для астрономів своєрідною підказкою, де шукати ці приховані прискорювачі.
FAQ
Це вже остаточно доведено, що нейтрино IC 210922A прилетіло саме з Shadow Blaster?
Дослідники наголошують, що Shadow Blaster є найпереконливішим і наразі єдиним правдоподібним кандидатом. Вона збігається за напрямком, яскравістю та фізичними властивостями з тим, що теорія очікує від джерела таких нейтрино. Але щоб говорити про стовідсоткове підтвердження, потрібні додаткові події й спостереження.
Чому вчені не змогли знайти звичайні «спалахи» — наднові чи гамма-сплески?
Ймовірно, джерелом високих енергій тут є не одиничний, яскравий вибух, а ціла «грозова зона» постійної активності: численні наднові, ударні хвилі та зіткнення потоків газу всередині запиленого ядра галактики. Така активність може ефективно прискорювати частинки, але не обов’язково супроводжується помітним для нас спалахом у гамма- чи рентгенівському діапазоні.
Чим це відкриття відрізняється від інших відомих джерел нейтрино?
Раніше окремі події високоенергетичних нейтрино пов’язували переважно з активними ядрами галактик, де надмасивні чорні діри активно «пожирають» матерію й викидають потужні джети. У випадку Shadow Blaster джерелом виглядає звичайна, хоч і дуже бурхлива, зоряутворююча галактика без активного ядра. Це розширює коло можливих космічних прискорювачів.
Як це може змінити майбутні пошуки космічних нейтрино?
Тепер астрономи приділятимуть більше уваги запиленим зоряутворюючим галактикам, особливо тим, що підсилені гравітаційними лінзами. Поєднання нейтринних детекторів, як IceCube, із потужними телескопами на кшталт ALMA та Gemini, дає змогу будувати більш точні «карти» можливих джерел і краще розуміти, звідки до нас приходять ці привидоподібні частинки.
Одна-єдина частинка-привид, що пролетіла крізь Всесвіт ще з часів його юності, виявилася ниткою, за яку вчені потягнули й дістали цілу далеку галактику. Виявляється, щоб дізнатися, як працювали космічні «фабрики» зір мільярди років тому, іноді достатньо вловити один майже невловимий удар у крижаній товщі Антарктиди.
Астрономи відстежили нейтрино-привид до далекої галактики з’явилася спочатку на Цікавості.
