Фізики UCLA розкрили таємницю нейтрино з галактики NGC 1068

Фізики з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA) представили революційне пояснення загадкового явища, пов'язаного з високоенергетичними частинками, які виявили з віддаленої галактики NGC 1068. Це відкриття, опубліковане 18 квітня в Physical Review Letters, розв'язує давню загадку, що спантеличувала астрономів: чому ця галактика випромінює велику кількість примарних частинок нейтрино, водночас демонструючи несподівано слабке гамма-випромінювання — явище, що суперечить традиційним астрофізичним моделям.

Для виявлення цих майже невидимих субатомних частинок науковці використовують особливу обсерваторію IceCube, розташовану глибоко під антарктичним льодом. Тисячі спеціалізованих датчиків створюють своєрідні «очі», здатні фіксувати нейтрино під час їхнього проходження крізь нашу планету.

«Ми маємо телескопи, які використовують світло для спостереження за зорями, але багато астрофізичних систем також випромінюють нейтрино», — пояснює Александр Кусенко, професор фізики та астрономії UCLA та старший науковий співробітник Kavli IPMU. «Для спостереження за нейтрино потрібен інший тип телескопа, і саме такий телескоп ми маємо на Південному полюсі».

Особливо загадковим у спостереженнях NGC 1068 є невідповідність між сигналами нейтрино та гамма-випромінюванням. Зазвичай, коли астрофізики виявляють високоенергетичні нейтрино з космосу, вони також спостерігають відповідно потужне гамма-випромінювання.

Дослідницька група, до якої входять науковці з UCLA, Університету Осаки та Токійського університету, встановила, що нейтрино, найімовірніше, утворюються через цілком інший механізм, ніж вважалося раніше. Згідно з їхнім поясненням, ядра гелію, прискорені в потужних струменях центральної чорної діри галактики, стикаються з ультрафіолетовими фотонами і розпадаються, вивільняючи нейтрони, які потім перетворюються на нейтрино, не генеруючи при цьому потужного гамма-випромінювання.

«Водень і гелій — два найпоширеніші елементи в космосі», — зазначає перший автор дослідження та докторант UCLA Коічіро Ясуда. «Але водень має лише протон, і якщо цей протон зіткнеться з фотонами, він утворить як нейтрино, так і потужне гамма-випромінювання. Натомість нейтрони мають додатковий спосіб формування нейтрино, який не призводить до утворення гамма-променів. Тому гелій є найімовірнішим джерелом нейтрино, які ми спостерігаємо з NGC 1068».

Нова модель має кілька переваг порівняно з традиційними поясненнями. Вона пояснює, чому сигнал нейтрино з NGC 1068 значно перевищує її гамма-випромінювання. Енергії утворених нейтрино (діапазон 1−100 ТеВ) відповідають спостереженням. Модель також пояснює особливий енергетичний спектр, який спостерігається як у нейтрино, так і в гамма-променях, та надає розуміння екстремальних умов навколо надмасивних чорних дір.

«Ця ідея пропонує новий погляд, що виходить за межі традиційних моделей корони. NGC 1068 — лише одна з багатьох подібних галактик у Всесвіті, і майбутні виявлення нейтрино від них допоможуть перевірити нашу теорію та розкрити походження цих загадкових частинок», — зазначає співавтор дослідження, професор астрофізики Університету Осаки Йошіюкі Іноуе.

Професор Кусенко наголошує на важливості фундаментальних досліджень, проводячи паралелі з історичними відкриттями. Він нагадує про відкриття електрона Дж. Дж. Томпсоном, яке спочатку вважалося «найбільш марним відкриттям в історії», але згодом стало основою всієї сучасної електроніки. Подібно до цього, дослідження з фізики частинок заклали основу для створення Всесвітньої павутини, а вивчення ядерного магнітного резонансу призвело до розробки технології МРТ.

Це відкриття має потенційні наслідки і для нашої галактики Чумацький Шлях, у центрі якої також знаходиться надмасивна чорна діра з подібними фізичними процесами. «Ми не багато знаємо про центральну, екстремальну область поблизу галактичного центру NGC 1068», — зазначає Кусенко. «Якщо наш сценарій підтвердиться, це розповість нам щось про середовище поблизу надмасивної чорної діри в центрі цієї галактики».

«Ми стоїмо на самому початку нової галузі нейтринної астрономії, і загадкові нейтрино з NGC 1068 — одна з головоломок, які нам потрібно розв'язати на цьому шляху», — додає Кусенко. Він підкреслює важливість державного фінансування науки та роль університетів у проведенні фундаментальних досліджень, результати яких можуть мати далекосяжні наслідки для майбутніх технологій.