Примарна частинка з подрібненої зірки розкрила космічний прискорювач частинок

Від чорної діри до Південного полюсу: вчені ідентифікували перше нейтрино з події припливного руйнування.

Про це розповідають в німецькому національному дослідницькому центрі DESY (Deutsches Elektronen-SYnchrotron - Німецький електронний синхротрон).

Простежуючи примарну частинку до подрібненої зірки, вчені виявили гігантський космічний прискорювач частинок. Субатомну частинку, звану нейтрино, було кинуто до Землі після того, як приречена зірка підійшла занадто близько до надмасивної чорної діри в центрі своєї галактики і була розірвана колосальною гравітацією чорної діри. Це перша частинка, яку можна прослідкувати до такої “події припливного руйнування” (TDE), і це свідчить про те, що ці малозрозумілі космічні катастрофи можуть бути потужними природними прискорювачами частинок, як повідомляє команда, очолювана вченим з DESY Робертом Штайном, в журналі “Nature Astronomy”.

Спостереження також демонструють здатність дослідження космосу за допомогою комбінації різних “посланників”, таких як фотони (частинки світла) та нейтрино — дослідження, відомі також як багатоканальна астрономія.

Нейтрино розпочало свою подорож приблизно 700 мільйонів років тому, приблизно в той час, коли на Землі розвинулися перші тварини. Це час подорожі, необхідний частинці, щоб дістатися з далекої неназваної галактики (каталогізованої як 2MASX J20570298+1412165) у сузір’ї Дельфіна до Землі. За оцінками вчених, величезна чорна діра сягає 30 мільйонів сонць.

“Сила гравітації стає все сильнішою і сильнішою, чим ближче ви до чогось наближаєтесь. Це означає, що гравітація чорної діри тягне ближчу сторону зірки сильніше, ніж віддалену, що призводить до ефекту розтягування”, - пояснює Штайн. “Ця різниця називається припливною силою, і чим ближче зірка, це розтягування стає більш екстремальним. Зрештою воно розриває зірку на частини, і тоді ми називаємо це подією припливного руйнування. Це той самий процес, який призводить до океанських припливів і відпливів на Землі, але, на щастя для нас, Місяць не тягне настільки сильно, щоб подрібнити Землю”.

Близько половини уламків зірки було скинуто в космос, а друга половина оселилася на закрученому диску навколо чорної діри. Цей акреційний диск чимось схожий на вихор води над зливом у ванні. Перш ніж зануритися в забуття, матерія з акреційного диска стає все гарячішою і гарячішою і яскраво світить. Вперше це світіння було виявлено за допомогою Установки транзитів Цвікі (ZTF) на горі Паломар в Каліфорнії 9 квітня 2019 року.

Через півроку, 1 жовтня 2019 року, нейтринний детектор IceCube на Південному полюсі зареєстрував надзвичайно енергійне нейтрино з боку події припливного руйнування. “Він врізався в антарктичний лід із надзвичайною енергією понад 100 тераелектронвольт”, - каже співавтор Анна Францковяк з DESY, яка наразі є професором Бохумського університету. “Для порівняння, це принаймні в десять разів перевищує максимальну енергію частинок, яку можна досягти за допомогою найпотужнішого у світі прискорювача частинок - Великого адронного колайдера в європейській лабораторії фізики частинок CERN поблизу Женеви”.

Серце темряви: вид акреційного диска навколо надмасивної чорної діри зі струменеподібними структурами, що відходять від диска. Надзвичайна маса чорної діри вигинає простір-час, дозволяючи побачити відображення дальної сторони акреаційного диска над та під чорною дірою. Малюнок: DESY, Science Communication Lab

Надзвичайно легкі

Надзвичайно легкі нейтрино практично не взаємодіють ні з чим, здатні непомітно проходити крізь не просто стіни, а цілі планети чи зірки, і тому їх часто називають примарними частинками. Отже, навіть спіймати лише одне нейтрино високої енергії — це вже визначне спостереження. Аналіз показав, що цей конкретний нейтрино мав лише один із 500 шансів бути таким, що чисто випадково потрапив з TDE. Виявлення спонукало до подальших спостережень за подією за допомогою багатьох приладів у всьому електромагнітному спектрі, від радіохвиль до рентгенівських променів.

“Це перше нейтрино, пов'язане з подією припливного руйнування, і воно надає нам цінні докази”, - пояснює Штайн. “Події припливного руйнування недостатньо зрозумілі. Виявлення нейтрино вказує на існування центрального потужного двигуна біля акреційного диска, що викидає швидкі частинки. А комбінований аналіз даних, отриманих з радіо, оптичних та ультрафіолетових телескопів, дає нам додаткові свідчення про те, що TDE діє як гігантський прискорювач частинок”.

Спостереження найкраще пояснюються енергійним відтоком швидких струменів матерії, що вистрілюють із системи, які виробляються центральним двигуном і тривають сотні днів. Це також те, що потрібно для пояснення даних спостережень, як показали Уолтер Вінтер, керівник групи теоретичної фізики астрочастинок у DESY, та його колега теоретик Сесілія Лунардіні з Університету штату Арізона в теоретичній моделі, опублікованій у тому ж випуску журналу Nature Astronomy. “Нейтрино з'явилося порівняно пізно, через півроку після початку зоряного застілля. Наша модель пояснює цей час, безумовно”, - каже Вінтер.

Космічний прискорювач випльовує різні типи частинок, але крім нейтрино та фотонів, ці частинки мають електричний заряд і, таким чином, відхиляються міжгалактичними магнітними полями під час своєї подорожі. Тільки електрично нейтральні нейтрино можуть подорожувати прямолінійно, подібно світлу від джерела, до Землі і, таким чином, стають цінними посланниками таких систем.

“Комбіновані спостереження демонструють потужність багатоканальної астрономії”, - говорить співавтор Марек Ковальскі, керівник нейтринної астрономії в DESY і професор Берлінського університету Гумбольдта. “Без виявлення події припливного руйнування нейтрино було б лише одним з багатьох. А без нейтрино спостереження за подією припливного руйнування було б лише одним із багатьох. Тільки завдяки цій комбінації ми змогли знайти прискорювач і щось дізнатися нове про процеси всередині”.

Взаємозв'язок між високоенергетичним нейтрино та подією припливного руйнування виявив складний програмний пакет під назвою AMPEL, спеціально розроблений в DESY для пошуку кореляцій між нейтрино IceCube та астрофізичними об'єктами, виявленими Установкою переходів Цвікі.

Вершина айсберга?

Установка переходів Цвікі була розроблена для зйомок сотень тисяч зірок і галактик за один знімок і може особливо швидко оглядати нічне небо. В його серці знаходиться телескоп Самуеля-Ошина діаметром 1,3 м. Завдяки своєму великому полю зору, ZTF може просканувати все небо протягом трьох ночей, знаходячи більше змінних та перехідних об'єктів, ніж будь-який інший оптичний огляд до нього.

“З моменту нашого старту в 2018 році ми виявили понад 30 подій припливного руйнування, що більш ніж подвоїло відому кількість таких об'єктів”, - говорить Сьоерт ван Вельзен з Лейденської обсерваторії, співавтор дослідження. “Коли ми зрозуміли, що друга за яскравістю TDE, яку ми спостерігаємо, була джерелом нейтрино високої енергії, зареєстрованого IceCube, ми були в захваті”.

“Можливо, ми бачимо лише вершину айсберга. У майбутньому ми сподіваємось знайти ще більше асоціацій між нейтрино високих енергій та їх джерелами”, - говорить Френсіс Халзен, професор Університету штату Вісконсин-Медісон і головний дослідник IceCube, який безпосередньо не брав участі у дослідженні. “Будується нове покоління телескопів, які забезпечать більшу чутливість до TDE та інших перспективних джерел нейтрино. Ще більш важливим є заплановане розширення детектора нейтрино IceCube, яке збільшить кількість виявлення космічних нейтрино щонайменше в десять разів”.

Ця TDE вказує лише другий раз, що космічне нейтрино з високою енергією може бути простежено до його джерела. У 2018 році кампанія з багатоканальними спостереженнями представила активну галактику, блазар TXS 0506+056, як перше в історії ідентифіковане джерело високоенергетичного нейтрино, зафіксоване IceCube в 2017 році.

Читайте ще цікаві новини про космос.