Нейтрино-рекордсмен связали с блазарами: новое исследование коллаборации KM3NeT

Международная коллаборация KM3NeT, управляющая одноименным нейтринным телескопом, который находится на дне Средиземного моря, представила новое исследование, посвященное происхождению загадочной частицы, зафиксированной в 2023 году. Ученые обнаружили, что источником «сверхэнергетического» космического нейтрино с энергией около 220 ПэВ, самого мощного из когда-либо наблюдавшихся, может быть популяция блазаров, активных галактических ядер с релятивистскими джетами, направленными на Землю. Работа, основанная на данных детектора KM3NeT/ARCA и опубликованная в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), предлагает объяснение природы частицы, энергия которой более чем на порядок превзошла все известные ранее показатели.

13 февраля 2023 года детектор KM3NeT/ARCA, который все еще находится на стадии строительства у берегов Сицилии, зарегистрировал уникальное событие — прохождение нейтрино с колоссальной энергией около 220 ПэВ. Это открытие поставило научное сообщество перед вопросом о том, какой космический объект способен ускорять частицы до таких экстремальных значений.

В поисках ответа исследователи применили метод, напоминающий работу криминалистов: исходя из первоначальных гипотез, они моделировали возможные сценарии рождения частицы и сравнивали их с реальными наблюдениями. Отсутствие электромагнитного аналога события (сигнала в радиодиапазоне, рентгене или гамма-лучах из той же области неба) натолкнуло ученых на мысль, что нейтрино возникло не в результате внезапной вспышки, а в составе диффузного потока, суммирующего излучение от множества ненаблюдаемых по отдельности источников.

«Это не полностью исключает возможность существования точечного источника, но заставляет нас предположить, что наши нейтрино могут происходить из диффузного фона, то есть из потока нейтрино, включающего вклады от многих источников», — поясняет Мерием Бендахман, исследователь из INFN в Неаполе и член коллаборации KM3NeT. Для проверки этой гипотезы команда смоделировала популяцию блазаров с помощью программного обеспечения AM3. Зафиксировав многие параметры модели на значениях, известных из независимых наблюдений (таких как напряженность магнитного поля), ученые варьировали два ключевых показателя: барионную нагрузку, определяющую долю энергии протонов и, следовательно, количество производимых нейтрино, и спектральный индекс протонов, влияющий на вероятность достижения экстремальных энергий.

Особенность работы заключается в ее комплексном подходе: авторы сопоставили свои расчеты не только с данными KM3NeT, но и с результатами наблюдений нейтринной обсерватории IceCube и гамма-телескопа Fermi LAT. Важным ограничением стало то, что IceCube не регистрировал событий, сравнимых по энергии с зафиксированным в Средиземном море, что указывает на чрезвычайную редкость подобных явлений. Предложенная модель блазаров успешно согласуется с этим условием. Кроме того, поскольку рождение нейтрино часто сопровождается гамма-излучением, ученые подтвердили, что смоделированный вклад блазаров не превышает внегалактический гамма-фон, измеренный телескопом Fermi.

Таким образом, исследование показало, что блазары является правдоподобным источником нейтрино сверхвысокой энергии. Однако для окончательного подтверждения этой гипотезы необходимы новые данные, тем более что на момент регистрации рекордного события детектор KM3NeT работал лишь в частичной конфигурации.

«Нам нужно больше наблюдательных данных, — объясняет Мерием Бендахман. Детектор KM3NeT все еще находится в стадии строительства, и мы зарегистрировали это нейтрино сверхвысокой энергии, используя лишь частичную конфигурацию. С полноценным детектором и большим объемом данных мы сможем проводить более мощные статистические анализы и открыть новое окно во вселенную нейтрино сверхвысокой энергии». Если интерпретация коллаборации подтвердится, это даст ученым новое понимание способности блазаров ускорять частицы до энергий, значительно превышающих прежние теоретические ожидания.