Детектор IceCube находит новый ключ к разгадке происхождения космических лучей

Детектор IceCube, расположенный в толще антарктического льда на Южном полюсе, представляет собой уникальную обсерваторию, предназначенную для регистрации нейтрино — загадочных частиц, которые являются одними из самых неуловимых посланников Вселенной. В своем последнем исследовании коллаборация IceCube предприняла наиболее чувствительный на сегодняшний день поиск устойчивых нейтринных источников, объединив данные за 14 лет о трековых событиях и за 10 лет о каскадных событиях. Эта работа направлена на решение фундаментальной проблемы астрофизики, остающейся без ответа десятилетиями: происхождение космических лучей сверхвысоких энергий и природа космических ускорителей, способных разгонять частицы до экстремальных значений.

Детектор фиксирует нейтрино по двум типам сигналов. Треки — это длинные следы, порождаемые преимущественно мюонными нейтрино. Они обладают способностью указывать направление на свой источник с высокой угловой точностью. Каскады — это сферические вспышки, возникающие чаще от электронных нейтрино, и они обеспечивают более точное измерение энергии частицы. Эти два канала взаимно дополняют друг друга в покрытии всего неба. Трековые события лучше регистрируются в Северном полушарии, поскольку Земля выступает в роли фильтра, поглощая фоновые атмосферные мюоны. Каскадные события, напротив, более эффективны для анализа в Южном полушарии, где атмосферный фон создает значительные помехи.

Новаторство последнего анализа заключается в одновременном использовании обоих каналов с применением метода максимального правдоподобия. Этот унифицированный подход позволил увеличить охват неба без его искусственного разделения на зоны, что повышает шансы на обнаружение закономерностей, которые могли бы ускользнуть при раздельном анализе треков и каскадов.

Результаты сканирования неба оказались интригующими. Исследователи проверили 167 известных источников гамма-излучения на предмет избытка нейтрино. После тщательной статистической обработки данных с учетом множественных испытаний была выявлена одна яркая область на северном небе, совпадающая с положением галактики NGC 1068. Сигнал от этого региона примерно в 3,5 раза превышает ожидаемый фоновый уровень. Хотя статистическая значимость пока недостаточна для заявления об открытии, этот результат убедительно подкрепляет более ранние свидетельства, полученные в 2022 году, когда от этой же галактики было зарегистрировано 79 нейтрино высоких энергий. Это один из наиболее сильных нейтринных сигналов, когда-либо наблюдавшихся из-за пределов Млечного Пути.

В Южном полушарии также была идентифицирована горячая точка, однако она не совпала ни с одним объектом из проверяемого каталога. Примечательно, что эта область не проявлялась как значимая при раздельном анализе треков и каскадов, что демонстрирует мощь комбинированного метода в выявлении особенностей, невидимых для одиночных каналов.

Галактика NGC 1068, также известная как Messier 77, представляет собой близкую к нам активную галактику с ярким ядром, в центре которого находится сверхмассивная черная дыра. Аккреция газа и пыли на эту черную дыру сопровождается выделением колоссальной энергии. Новый анализ не только подтвердил нейтринное излучение от NGC 1068, но и показал, что оно является устойчивым, а не результатом коротких вспышек. Это указывает на постоянный процесс ускорения частиц, что крайне важно для теоретического моделирования, так как устойчивое излучение легче связать с физическими процессами в активном ядре галактики, где плотные газ и излучение могут способствовать рождению нейтрино в результате столкновений космических лучей.

Методология поиска, основанная на максимальном правдоподобии, оценивает каждое нейтринное событие по степени его соответствия сигналу с учетом угла прихода и энергии. Алгоритм проверяет, образуют ли события статистически значимые сгустки на фоне случайного распределения. При анализе по каталогу метод рассматривает известные позиции источников, позволяя данным самим указать, какие из них вносят вклад в нейтринный поток.

Уникальность нейтрино как астрофизического инструмента заключается в их нейтральности и чрезвычайно слабом взаимодействии с веществом. Это позволяет им беспрепятственно преодолевать космические расстояния и указывать прямо на свои источники рождения. Таким образом, они служат чистыми индикаторами адронных процессов, которые ответственны и за генерацию космических лучей высочайших энергий. Если нейтринное излучение от NGC 1068 подтвердится в будущих данных, это укрепит гипотезу о том, что плотные, затененные пылью ядра активных галактик являются мощными природными фабриками нейтрино. Это также может объяснить, почему некоторые из таких источников слабо проявляют себя в гамма-диапазоне: гамма-лучи могут поглощаться в той самой плотной среде, из которой нейтрино свободно выходят.

Перспективы дальнейших исследований многообещающи. Продолжающийся мониторинг будет накапливать статистику, уточняя природу как северной, так и южной точек. Совершенствование алгоритмов реконструкции событий, в том числе с применением машинного обучения, как это уже было успешно продемонстрировано при обнаружении нейтрино от Галактической плоскости Млечного Пути в 2023 году, повысит точность и чувствительность.

Расширение каталогов потенциальных источников, включая больше скрытых активных ядер галактик, позволит целенаправленно проверять гипотезы. IceCube продолжает работу, а планируемые обсерватории следующего поколения расширят энергетический диапазон исследований. Каждый дополнительный год наблюдений увеличивает чувствительность к устойчивым источникам, что постепенно приближает науку к разгадке тайны происхождения космических лучей.