Это открытие дает представление об экстремальных условиях вокруг сверхмассивных черных дыр в центре галактик, таких как NGC 1068 и наша собственная, и расширяет наше понимание взаимосвязей между излучением и элементарными частицами, которые могут привести к технологическим достижениям, которые мы еще не представляли.

Глубоко во льдах Антарктики спрятаны "глаза", которые могут видеть элементарные частицы, называемые нейтрино, и то, что они наблюдали, озадачивает ученых: удивительно сильный нейтринный сигнал, сопровождающийся удивительно слабым гамма-излучением в галактике NGC 1068, также известной как галактика Кальмар.

"Глаза" - это набор детекторов, погребенных в кубическом километре льда, который называется нейтринной обсерваторией IceCube. Физики-теоретики из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Университета Осаки и Института физики и математики Вселенной Кавли Токийского университета (Kavli IPMU, WPI) используют свои наблюдения за NGC 1068, чтобы предложить совершенно новый способ получения нейтрино.

Нейтрино - это субатомные частицы, которые очень слабо взаимодействуют с гравитацией и могут проходить сквозь материю. Это делает их еще более труднодоступными для обнаружения, чем другие частицы, такие как электроны. Нейтринная обсерватория IceCube состоит из 5160 датчиков, погруженных в прозрачный сжатый антарктический лед, которые отслеживают события, которые могут быть вызваны нейтрино, когда они проходят сквозь лед, взаимодействуют с ним и создают заряженные частицы.

"У нас есть телескопы, которые используют свет для наблюдения за звездами, но многие из этих астрофизических систем также излучают нейтрино", - сказал Александр Кусенко, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и старший научный сотрудник Kavli IPMU. "Чтобы увидеть нейтрино, нам нужен телескоп другого типа, и это тот телескоп, который у нас есть на Южном полюсе".

Нейтринный телескоп IceCube обнаружил нейтрино очень высокой энергии, исходящие от NGC 1068, сопровождаемые слабым потоком гамма-излучения, намекая на то, что эти нейтрино, возможно, были получены иным способом, чем считалось ранее. Данные NGC 1068 вызывают недоумение, поскольку, как правило, считается, что энергичные нейтрино из активных галактических центров возникают в результате взаимодействий между протонами и фотонами, производящими гамма-лучи сравнимой интенсивности. Таким образом, энергичные нейтрино обычно соединяются с энергичными гамма-лучами.

Гамма-излучение NGC 1068 значительно ниже, чем ожидалось, и имеет совершенно иную спектральную форму. Традиционные модели, в том числе основанные на протонно-фотонных столкновениях и излучении из области горячей плазмы галактики, известной как "корона", широко использовались для объяснения таких нейтринных сигналов, но они столкнулись с теоретическими ограничениями, что побудило к поиску нового объяснения.

В новой статье, опубликованной в Physical Review Letters, Кусенко и его коллеги предполагают, что высокоэнергетические нейтрино из NGC 1068 в основном возникают в результате распада нейтронов, когда ядра гелия в джете галактики распадаются под воздействием интенсивного ультрафиолетового излучения. Когда эти ядра гелия сталкиваются с ультрафиолетовыми фотонами, испускаемыми центральной областью галактики, они фрагментируются, высвобождая нейтроны, которые впоследствии распадаются на нейтрино. Энергии результирующих нейтрино соответствуют наблюдениям.

Кроме того, электроны, генерируемые этими ядерными распад взаимодействуют с окружающими радиационными полями, создавая гамма-лучи, соответствующие наблюдаемой более низкой интенсивности. Этот сценарий элегантно объясняет, почему нейтринный сигнал резко затмевает гамма-излучение и объясняет отчетливый энергетический спектр, наблюдаемый как у нейтрино, так и у гамма-лучей.

Этот прорыв помогает ученым понять, как космические струи в активных галактиках могут испускать мощные нейтрино без соответствующего гамма-излучения, проливая новый свет на экстремальные, сложные условия, окружающие сверхмассивные черные дыры, включая ту, что находится в центре нашей собственной галактики.

"Мы не очень много знаем о центральной, крайней области вблизи галактического центра NGC1068", - сказал Кусенко. "Если наш сценарий подтвердится, это расскажет нам кое-что об окружающей среде вблизи сверхмассивной черной дыры в центре этой галактики".

В новой статье предполагается, что если ядро гелия ускоряется в струе сверхмассивной черной дыры, оно сталкивается с фотонами и распадается на части, выбрасывая свои два протона и два нейтрона в космос. Протоны могут улететь, но нейтроны нестабильны и распадаются на нейтрино, не производя гамма-лучей.

"Водород и гелий - два наиболее распространенных элемента в космосе", - сказал первый автор и докторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Коитиро Ясуда. "Но у водорода есть только протон, и если этот протон столкнется с фотонами, он произведет как нейтрино, так и сильные гамма-лучи. Но у нейтронов есть дополнительный способ образования нейтрино, которые не производят гамма-лучи. Таким образом, гелий является наиболее вероятным источником нейтрино, которые мы наблюдаем в NGC 1068".

Работа раскрывает существование скрытых астрофизических источников нейтрино, сигналы которых ранее, возможно, оставались незамеченными из-за их слабых гамма-сигнатур.

"Эта идея открывает новую перспективу, выходящую за рамки традиционных моделей corona. NGC 1068 - всего лишь одна из многих подобных галактик во Вселенной, и будущие обнаружения нейтрино в них помогут проверить нашу теорию и раскрыть происхождение этих таинственных частиц", - сказал соавтор и профессор астрофизики Университета Осаки Есиюки Иноуэ.

Подобно NGC 1068, в центре нашей галактики также находится сверхмассивная черная дыра, где непостижимо огромная гравитация и энергия буквально разрывают атомы на части, и открытие нейтрино справедливо и для нашей галактики. Хотя не обязательно существует прямая линия от понимания центра галактики к улучшению благосостояния людей, знания, полученные в результате изучения частиц, таких как нейтрино, и излучения, такого как гамма-лучи, имеют тенденцию вести технологии по неожиданным и преобразующим путям.

"Когда Джей Джей Томпсон получил Нобелевскую премию по физике 1906 года за открытие электронов, он, как известно, произнес тост на обеде после церемонии, сказав, что это, вероятно, самое бесполезное открытие в истории", - сказал Кусенко. "И, конечно же, каждый смартфон, каждое электронное устройство сегодня использует открытие, сделанное Томпсоном почти 125 лет назад".

Кусенко также сказал, что физика элементарных частиц породила Всемирную паутину, которая возникла как сеть, разработанная физиками, которым требовалось перемещать большие объемы данных между лабораториями. Он отметил, что открытие ядерного магнитного резонанса в то время казалось малоизвестным, но привело к развитию технологии магнитно-резонансной томографии, которая в настоящее время регулярно используется в медицине.

"Мы стоим в самом начале новой области нейтринной астрономии, и таинственные нейтрино из NGC 1068 - одна из загадок, которую нам предстоит решить на этом пути", - сказал Кусенко. "Инвестиции в науку приведут к чему-то, что вы, возможно, не сможете оценить сейчас, но что могло бы привести к чему-то значительному десятилетия спустя. Это долгосрочная инвестиция, и частные компании неохотно вкладывают средства в исследования такого рода, которыми мы занимаемся. Вот почему государственное финансирование науки так важно, и вот почему университеты так важны".

Исследование финансировалось Министерством энергетики, инициативой Всемирного ведущего международного исследовательского центра (WPI) и Японским обществом содействия науке.