Призрачная частица из измельченной звезды раскрыла космический ускоритель частиц

От черной дыры к Южному полюсу: ученые идентифицировали первый нейтрино с события приточного разрушения.

Об этом рассказывают в немецком национальном исследовательском центре DESY (Deutsches Elektronen-SYnchrotron - Немецкий электронный синхротрон).

Прослеживая призрачную частичку к измельченной звезде, ученые обнаружили гигантский космический ускоритель частиц. Субатомная частица, называемая нейтрино, была откинута к Земле после того, как обреченная звезда подошла слишком близко к сверхмассивной черной дыре в центре своей галактики и была разорвана колоссальной гравитацией черной дыры. Это первая частица, которую можно проследить в таком "событии приточного разрушения" (TDE), и это свидетельствует о том, что эти малопонятные космические катастрофы могут быть мощными природными ускорителями частиц, как сообщает команда, возглавляемая ученым из DESY Робертом Штайн, в журнале "Nature Astronomy".

Наблюдения также показывают способность исследования космоса с помощью комбинации различных "посланников", таких как фотоны (частицы света) и нейтрино — исследования, известные также как многоканальная астрономия.

Нейтрино начало свое путешествие примерно 700 миллионов лет назад, примерно в то время, когда на Земле развились первые животные. Это время путешествия, необходимое частице, чтобы добраться из далекой неназванной галактики (каталогизирована как 2MASX J20570298+1412165) в созвездии Дельфина к Земле. По оценкам ученых, огромная черная дыра достигает 30 миллионов солнц.

«Сила гравитации становится все сильнее и сильнее, чем ближе вы к чему-то приближаетесь. Это означает, что гравитация черной дыры тянет ближайшую сторону звезды сильнее, чем отдаленную, что приводит к эффекту растяжения», - объясняет Штайн. «Эта разница называется приточной силой, и чем ближе звезда, это растяжение становится более экстремальным. В конце концов оно разрывает звезду на части, и тогда мы называем это событием приточного разрушения. Это тот самый процесс, который приводит к океанским приливам и отливам на Земле, но, к счастью для нас, Луна не тянет настолько сильно, чтобы измельчить Землю».

Около половины обломков звезды было сброшено в космос, а вторая половина поселилась на закрученном диске вокруг черной дыры. Этот аккреционный диск чем-то похож на вихрь воды над сливом в ванной. Прежде чем окунуться в забытье, материя из аккреционного диска становится все более горячей и горячей и ярко светит. Впервые это свечение было обнаружено с помощью Установки транзитов Цвики (ZTF) на горе Паломар в Калифорнии 9 апреля 2019 года.

Через полгода, 1 октября 2019 года, нейтринный детектор IceCube на Южном полюсе зарегистрировал чрезвычайно энергичное нейтрино со стороны события приточного разрушения. «Он врезался в антарктический лед с необычайной энергией более 100 терраэлектронвольт», - говорит соавтор Анна Францковяк из DESY, которая сейчас является профессором Бохумского университета. «Для сравнения, это по крайней мере в десять раз превышает максимальную энергию частиц, которую можно достичь с помощью самого мощного в мире ускорителя частиц - Большого адронного коллайдера в европейской лаборатории физики частиц CERN вблизи Женевы».

Сердце тьмы: вид аккреционного диска вокруг сверхмассивной черной дыры со струйноподобными структурами, отходящими от диска. Чрезвычайная масса черной дыры выгибает пространство-время, позволяя увидеть отражение дальней стороны акреацийного диска над и под черной дырой. Рисунок: DESY, Science Communication Lab

Чрезвычайно легкие

Чрезвычайно легкие нейтрино практически не взаимодействуют ни с чем, способны незаметно проходить сквозь не просто стены, а целые планеты или звезды, и поэтому их часто называют призрачными частицами. Таким образом, даже поймать лишь одно нейтрино высокой энергии - это уже выдающееся наблюдение. Анализ показал, что этот конкретный нейтрино имел только один из 500 шансов быть чисто случайно попавшим из TDE. Выявление побудило к дальнейшим наблюдений за событием с помощью многих приборов во всем электромагнитном спектре, от радиоволн до рентгеновских лучей.

«Это первое нейтрино, связанное с событием приточного разрушения, и оно дает нам ценные доказательства», - объясняет Штайн. «События приточного разрушения недостаточно понятны. Выявление нейтрино указывает на существование центрального мощного двигателя у аккреционного диска, выбрасывающего быстрые частицы. А комбинированный анализ данных, полученных с радио, оптических и ультрафиолетовых телескопов, дает нам дополнительные свидетельства о том, что TDE действует как гигантский ускоритель частиц».

Наблюдения лучше всего объясняются энергичным оттоком быстрых струй материи, выстреливающих из системы, которые производятся центральным двигателем и продолжаются сотни дней. Это также то, что нужно для объяснения данных наблюдений, как показали Уолтер Винтер, руководитель группы теоретической физики астрочастич в DESY, и его коллега теоретик Сесилия Лунардини из Университета штата Аризона в теоретической модели, опубликованной в том же выпуске журнала Nature Astronomy. «Нейтрино появилось сравнительно поздно, через полгода после начала звездного застолья. Наша модель объясняет это время, безусловно», - говорит Винтер.

Космический ускоритель выплевывает разные типы частиц, но кроме нейтрино и фотонов, эти частицы имеют электрический заряд и, таким образом, отклоняются межгалактическими магнитными полями во время своего путешествия. Только электрически нейтральные нейтрино могут путешествовать прямолинейно, подобно свету от источника к Земле и, таким образом, становятся ценными посланниками таких систем.

«Комбинированные наблюдения показывают мощность многоканальной астрономии№, - говорит соавтор Марек Ковальски, руководитель нейтринной астрономии в DESY и профессор Берлинского университета Гумбольдта. «Без выявления события приточного разрушения нейтрино было бы лишь одним из многих. А без нейтрино наблюдения за событием приточного разрушения было бы лишь одним из многих. Только благодаря этой комбинации мы смогли найти ускоритель и что-то узнать новое о процессах внутри».

Взаимосвязь между высокоэнергетическим нейтрино и событием приточного разрушения обнаружил сложный программный пакет под названием AMPEL, специально разработанный в DESY для поиска корреляций между нейтрино IceCube и астрофизическими объектами, выявленными Установкой переходов Цвики.

Вершина айсберга?

Установка переходов Цвики была разработана для съемок сотен тысяч звезд и галактик за один снимок и может особенно быстро осматривать ночное небо. В его сердце находится телескоп Самуэля-Ошин диаметром 1,3 м. Благодаря большому полю зрения, ZTF может просканировать все небо в течение трех ночей, находя больше переменных и переходных объектов, чем любой другой оптический осмотр до него.

«С момента нашего старта в 2018 году мы обнаружили более 30 событий приточного разрушения, что более чем удвоило известное количество таких объектов», - говорит Сьоерт ван Вельзен из Лейденской обсерватории, соавтор исследования. «Когда мы поняли, что второе по яркости TDE, которую мы наблюдаем, было источником нейтрино высокой энергии, зарегистрированного IceCube, мы были в восторге».

«Возможно, мы видим лишь вершину айсберга. В будущем мы надеемся найти еще больше ассоциаций между нейтрино высоких энергий и их источниками», - говорит Фрэнсис Халзен, профессор Университета штата Висконсин-Мэдисон и главный исследователь IceCube, который непосредственно не участвовал в исследовании. «Строится новое поколение телескопов, которые обеспечат большую чувствительность к TDE и другим перспективным источникам нейтрино. Еще более важным является запланированное расширение детектора нейтрино IceCube, которое увеличит количество обнаружения космических нейтрино по меньшей мере в десять раз».

Это TDE указывает лишь второй раз, что космическое нейтрино с высокой энергией может быть прослежено до его источника. В 2018 году кампания по многоканальным наблюдениям представила активную галактику, блазар TXS 0506+056, как первый в истории идентифицированный источник высокоэнергетического нейтрино, зафиксированный IceCube в 2017 году.

Читайте еще интересные новости о космосе.