Невидимые источники высокой энергии: что скрывают Маленькие красные точки, обнаруженные телескопом Джеймс Уэбб

Астрофизики под руководством Рику Кузе из Киотского университета провели анализ данных телескопа Джеймс Уэбб и показали, что загадочные «Маленькие красные точки», компактные галактики ранней Вселенной, могут быть скрытыми источниками высокоэнергетических нейтрино. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review D, впервые предлагает количественное объяснение того, как эти объекты способны вносить вклад в наблюдаемый на Земле нейтринный фон, не нарушая при этом ограничений по гамма-излучению.

Телескоп Джеймс Уэбб обнаружил популяцию необычно маленьких и красных галактик, которые получили образное название «Маленькие красные точки». Эти объекты привлекли внимание астрономов не столько своей яркостью, сколько тем, что их излучение трудно объяснить только звездными процессами. Наиболее интригующая гипотеза состоит в том, что в центре каждой такой галактики находится активно растущая сверхмассивная черная дыра, окруженная плотной газовой оболочкой. Именно эта оболочка, по мнению ученых, создает уникальные условия, при которых рождаются нейтрино сверхвысоких энергий, частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом и пронизывающие Вселенную.

Нейтрино, как известно, имеют ничтожную массу и нулевой электрический заряд, что делает их чрезвычайно трудными для регистрации. На Земле уже зафиксировано множество таких частиц, приходящих из разных уголков космоса, однако глобальный фон высокоэнергетических нейтрино, равномерно заполняющий небо, до сих пор не имеет однозначного астрофизического объяснения.

Классические сценарии предполагают, что нейтрино рождаются при столкновениях ускоренных протонов с фотонами или обычным веществом, и такие процессы обычно сопровождаются мощным гамма-излучением. Но здесь возникает парадокс: если бы все нейтринные источники светили и в гамма-диапазоне, суммарный гамма-фон давно превысил бы наблюдаемые значения. Значит, нужны источники, которые эффективно производят нейтрино, но при этом «гасят» гамма-кванты, и именно эту роль могут играть Маленькие красные точки.

Исследовательская группа из Киотского университета обратила внимание на то, что большинство этих галактик показывают крайне слабые сигналы в радио- и рентгеновском диапазонах, что типично для объектов с джетами, струями плазмы, выбрасываемыми из окрестностей черной дыры. Однако в случае Маленьких красных точек эти джеты, по-видимому, не выходят наружу, а остаются погребенными внутри плотных газовых коконов.

Ученые предположили, что внутри таких оболочек концентрация фотонов и частиц вещества настолько велика, что столкновения протонов с окружающей средой происходят с высокой эффективностью, порождая нейтрино. При этом гамма-лучи, которые неизбежно возникают в тех же реакциях, практически не могут пробиться сквозь толщу газа наружу, они переизлучаются или поглощаются, так что внешний наблюдатель видит лишь слабый отголосок активности.

Чтобы проверить эту идею количественно, астрофизики провели два типа расчетов. Сначала они использовали аналитические оценки, опираясь на типичные значения светимости и пространственной плотности Маленьких красных точек, чтобы понять, какой вклад они могут внести в общий нейтринный фон на всем небе. Затем они выполнили сложное численное моделирование, которое включало в себя ускорение частиц в окрестностях черной дыры, рождение вторичных частиц, их охлаждение и последующий распад.

Модель показала, что при реалистичных параметрах оболочек, их плотности и размерах, поток нейтрино от таких объектов действительно может достигать уровня, сопоставимого с тем, что регистрируют земные детекторы, причем без избыточного гамма-сопровождения. Это открывает путь к объяснению той части нейтринного фона, которая до сих пор оставалась «темной» с точки зрения происхождения.

Авторы работы подчеркивают, что непосредственное наблюдение отдельных Маленьких красных точек в нейтринном канале пока невозможно из-за их удаленности и слабости сигнала. Тем не менее, их исследование важно как первый системный анализ, показывающий, что совокупность таких галактик, взятых вместе, способна дать заметный вклад в космический нейтринный поток.

Следующим шагом станет изучение соотношения разных типов, или «ароматов», нейтрино, которое испускается этими объектами, а также выяснение точных условий, при которых джеты оказываются полностью экранированными газовыми оболочками. Эти данные позволят либо подтвердить гипотезу о Маленьких красных точках как о скрытых нейтринных фабриках, либо направить поиски в другую сторону.

В итоге коллектив ученых пришел к выводу, что Маленькие красные точки, несмотря на слабое излучение, могут быть поставщиками высокоэнергетических нейтрино во Вселенной. Их способность производить нейтрино, оставаясь почти невидимыми в гамма-лучах, делает их идеальными кандидатами на роль недостающих источников, которые объясняют наблюдаемый нейтринный фон без противоречий с данными по гамма-излучению. Это открытие не только уточняет наше понимание ранней Вселенной, но и задает новое направление для будущих нейтринных обсерваторий, которые смогут проверить эти предсказания статистически.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях