Даследчыкі выяўляюць крыніцу ўвядзення касмічных нейтрына ў новую эру астраноміі "шматпасыльнага паведамлення"

Крыніца высокаэнергетычных "касмічных нейтрына" ўхілялася ад навукоўцаў на працягу дзесяцігоддзяў, да верасня мінулага года, калі такая часціца ўдарыла аб дэтэктар, пахаваны ў лёдзе на Паўднёвым полюсе, паказвае даследаванне, апублікаванае ў Science. Падзея была спалучана з выяўленнем палымянага "блазара" з дапамогай тэлескопа NASA Fermi Gamma-Ray Telescope, які даў нам паняцце аб паходжанні высокаэнергетычных нейтрына. Гэта адкрыццё не толькі важнае для нашых ведаў пра гэтыя часціцы, аднак можа дапамагчы ўзяць у новай эры астраноміі.

Чаму высокаэнергетычныя нейтрына маюць значэнне?

Адным з самых ашаламляльных дасягненняў сучаснай фізікі з'яўляецца адкрыццё адной з асноўных часціц прыроды - нейтрына. У той час як адкрыццё іншых часціц прыносіла карысць іх унутранай масе або зараду, каб дапамагчы іх адкрыццю, нейтрына практычна бязлітасна і не зараджае. На самай справе яны аказваюць такі маленькі ўплыў на навакольны свет, што 65 мільярдаў з іх прапускаюць кожны квадратны сантыметр вашага цела кожную секунду зусім незаўважна. Адзінае ўзаемадзеянне, якое яны пакідаюць, адбываецца пры атацы атамнага ядра.

Самы распаўсюджаны выгляд нейтрына, які дасягае Зямлі, адбываецца ад Сонца, і іншыя крыніцы нейтрына прасочваюцца да далёкіх звышновых. Але Зямля таксама падвяргаецца высокаэнергетычным нейтрынам, якія сустракаюцца значна радзей. Гэтая рэдкасць можа растлумачыць, чаму навука мела такія цяжкасці з выяўленнем крыніцы такіх часціц.

Нейтрына выяўлены пад паўднёвым полюсам на абсерваторыі IceCube

"Касмічнае нейтрына" вызначаецца як нейтрына, якое нясе ў сабе столькі энергіі, што яно павінна адбыцца па-за нашай Сонечнай сістэмы. У 2013 годзе першыя дзве такія часціцы па мянушцы "Берт" і "Эрні" былі выяўлены эксперыментам на нейтральным базе IceCube "Паўднёвы полюс", кубікам лёду з больш чым 5000 дэтэктараў, убудаваных у яго 300 навукоўцаў з 12 краін.

З 2013 года IceCube выяўляе прыблізна 8 высокаэнергетычных нейтрына ў год, адпраўляючы астраномы з глабальным абвесткай аб знаходжанні такой часціцы ў надзеі, што іх крыніца можа быць выяўлена. Але да гэтага часу такое адкрыццё пазбягала сусветнай навуковай супольнасці.

Што адрознівалася ад апошняга выяўлення высокаэнергетычнага "касмічнага" нейтрына?

22 верасня нейтрана высокай энергіі затрымалася ў кубічным кіламетры паўднёва-полюснага эксперыменту па нейтрына IceCube. За нейтрына ідзе мюон, які пакінуў светлы след, які дазволіў даследчыкам прасачыць нейтрына назад да месца яго вытоку на начным небе.

Як звычайна, выяўленне нейтрына выклікала агульную трывогу, і гонка зноў была даследчыкам, каб знайсці крыніцу гэтага "касмічнага" нейтрына. На гэты раз пошукі не былі бясплоднымі.

Уражанне мастака на выбухаючыя пучкі часціц у бок Зямлі (NASA / IceCube)

Астраномы праглядалі вобласць неба, паказаную IceCube, у рэшце рэшт выявіўшы, што з дапамогай тэлескопа NASA Fermi Large Area Gamma-Ray Telecope, верагоднай крыніцы касмічнага прамяня, у які падарожнічалі часціцы. Блазар - гэта актыўнае галактычнае ядро, з якога ў бок Зямлі накіраваны рэлятывісцкі струмень часціц, створаны чорнай дзіркай у цэнтры галактыкі, раздзіраючы які падае матэрыял.

Акрамя тэлескопа Фермі, у іншым касмічным гама-прамянёвым тэлескопе пад назвай SWIFT і наземным тэлескопе MAGIC на Канарскіх выспах таксама выяўлены выбухі гама-прамянёў і іншыя скокі ад той жа крыніцы. Супрацоўніцтва паміж інстытутамі працягвалася і, у рэшце рэшт, 18 абсерваторый пацвердзілі ўспышкі розных даўжынь хваль электрамагнітнага спектру на тым месцы, адкуль выявіліся нейтрына і мюон.

Крыніца высокаэнергетычнага нейтрына, выяўленая IceCube TXS 0506 + 056 (NASA)

Гэтыя двайнятыя выяўленні высокаэнергетычнага нейтрына і назіранне за палаючым блазарам на захад ад Белатрыкс, зоркай у сузор'і Арыён, названым TXS 0506 + 056, былі ўпершыню звязаны разам Ясуюкі Танака з Універсітэта Хірасімы. Але самога гэтага даследчыкам было недастаткова зрабіць высновы пра крыніцу высокаэнергетычных нейтрына, працуючы над намёкамі, дадзенымі высновы аб пошуку прапісаных раней дадзеных для ўмацавання сувязі.

Даследчыкі IceCube выявілі, што гэтая зона начнога неба была зусім асаблівай, яна была надзвычай актыўнай у вытворчасці высокаэнергетычных нейтрына на працягу чатырох-пяці месяцаў у канцы 2014-га і пачатку 2015 года. Яны звязалі вытворчасць гэтых нейтрына з выпраменьваннем гама-прамянёў высокай энергіі, выявіўшы, што, калі ў нейтрына было менш энергіі, выпрацоўваемыя гама-прамяні былі больш энергічнымі і наадварот.

Гэта дазволіла даследчыкам зрабіць выснову, што блазары сапраўды з'яўляюцца крыніцай высокіх энергій "касмічных" нейтрына, што робіць іх трэцім вядомым крыніцай нейтрына пасля зорак, такіх як Сонца і звышновыя.

Абедзве высновы, апісаныя вышэй, былі апублікаваны ў апошнім выданні часопіса Science і выклікалі шум шматразовага назірання і каментарыяў.

Што гэта азначае для будучай астраноміі?

Гэта другі велізарны вынік таго, што навукоўцы называюць астраноміяй "шматпасыльнага паведамлення", і першае - выяўленне гравітацыйных хваль, атрыманых дзвюма якія сутыкаюцца нейтроннымі зоркамі LIGO ў жніўні 2017 года.

Выяўленне гравітацыйных хваль, якія выпраменьваюцца LIGO у выніку збору зорак нейтронаў, стала першым удалым прыкладам астраноміі "шматпасыльнага паведамлення"

Шматпосланая астраномія ставіцца да практыкі выкарыстання некалькіх сігналаў для выяўлення астранамічных аб'ектаў. Так у прыкладзе, зафіксаваным вышэй, астраномы выкарыстоўвалі выяўленне нейтрына ў спалучэнні з назіраннямі ўспышак гама-прамянёў.

У той час як у мінулым астраномія, магчыма, абмяжоўвалася тым, што можна было б выявіць па бачным святле, то гэта пашырылася і на розныя іншыя вобласці электрамагнітнага спектру, такія як гама-прамяні, рэнтгенаўскія прамяні і радыёхвалі. Здольнасць "бачыць" астранамічныя аб'екты зараз пашырылася за межы электрамагнітнага спектру пры дапамозе гравітацыйных хваль і нейтрына.

Шматпосланная астраномія выкарыстоўвае два ці больш гэтых метадаў для назірання за астранамічнымі аб'ектамі, што дазваляе нам скласці карціну Сусвету і назіраць за падзеямі, пра якія раннія астраномы маглі толькі марыць.

Прычына гэтага настолькі пераўзыходзіць метады, якія разлічваюць толькі на электрамагнітны спектр, у тым, што нейтрына і гравітацыйныя хвалі не ўплываюць на магнітныя палі, на якія яны могуць сутыкнуцца ў эпічным падарожжы на Зямлю, які ахоплівае Сусвет, з-за адсутнасці электрычнага зарада.

Тое, што нейтрына бесперашкодна падарожнічае па сусвеце, азначае, што ні адна інфармацыя, якую яны нясуць са свайго крыніцы, не губляецца падчас іх падарожжа. Астраномы спадзяюцца, што гэта азначае, што назіранне за нейтрынамі дазволіць ім скласці карціну іх крыніцы больш дакладна, чым дазваляе назіранне электрамагнітнага выпраменьвання.

У рэшце рэшт, такія назіранні могуць дазволіць астраномам прасачыць паходжанне касмічных прамянёў ультравысокай энергіі, патокаў цяжкіх часціц, якія дажджаюць да Зямлі, створаных невядомымі падзеямі ў Сусвеце, і, як мяркуюць фізікі, могуць размясціць крыніцу з высокаэнергетычнымі нейтрына. Гэта стане магчыма толькі тады, калі навуцы ўдасца выявіць высокаэнергетычныя нейтрына ў значна большай колькасці.

Такім чынам, адкрыццё хаця б адной з крыніц такіх часціц цалкам можа спрыяць іх выяўленню ў будучыні.

Каментары

Першапачаткова апублікаваны на sciscomedia.co.uk 13 ліпеня 2018 года.