Ученые ищут высокоэнергетические нейтрино при разрывах звезд черными дырами

Только второй раз астрономы связали неуловимую частицу, называемую нейтрино высокой энергии, с объектом за пределами нашей галактики. Используя наземные и космические объекты, в том числе обсерваторию Нила Герелса Свифта НАСА, они проследили нейтрино до черной дыры, разрывающей звезду, – редкое катастрофическое событие, называемое приливным разрушением.

«Астрофизики давно предположили, что приливные сбои могут производить нейтрино высоких энергий, но это первый раз, когда мы действительно смогли связать их с данными наблюдений, – сказал Роберт Штайн, докторант Немецкого электронного синхротрона (DESY ) исследовательского центра в Цойтене, Германия, и университета Гумбольдта в Берлине. – Но похоже, что это конкретное событие, названное AT2019dsg, не генерировало нейтрино, когда и как мы ожидали. Это помогает нам лучше понять, как работают эти явления».

Результаты работы под руководством Стейна были опубликованы в выпуске журнала Nature Astronomy от 22 февраля.

Нейтрино – это фундаментальные частицы, которых намного больше, чем всех атомов во Вселенной, но которые редко взаимодействуют с другим веществом. Астрофизиков особенно интересуют нейтрино высоких энергий, энергия которых в 1000 раз превышает энергию, производимую самыми мощными коллайдерами частиц на Земле. Они думают, что самые экстремальные явления во Вселенной, такие как сильные галактические вспышки, ускоряют частицы почти до скорости света. Затем эти частицы сталкиваются со светом или другими частицами, чтобы произвести нейтрино высокой энергии. Первым подтвержденным источником высокоэнергетических нейтрино, открытый в 2018 году, был тип активной галактики Blazar.

Приливные сбои происходят, когда неудачливая звезда подходит слишком близко к черной дыре. Гравитационные силы создают сильные приливы, которые разбивают звезду на поток газа. Задняя часть потока покидает систему, в то время как ведущая часть разворачивается назад, окружая черную дыру диском обломков. В некоторых случаях черная дыра запускает быстро движущиеся струи частиц. Ученые предположили, что приливные сбои будут производить нейтрино высокой энергии в таких струях частиц. Они также ожидали, что эти события будут производить нейтрино на ранней стадии их эволюции, с максимальной яркостью, независимо от процесса образования частиц.

AT2019dsg был обнаружен 9 апреля 2019 года Zwicky Transient Facility (ZTF) , роботизированной камерой в Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института . Событие произошло на расстоянии более 690 миллионов световых лет от нас в галактике под названием 2MASX J20570298 + 1412165 , расположенной в созвездии Дельфин .

В рамках планового последующего обследования приливных нарушений Стейн и его команда запросили наблюдения в видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах с помощью Swift. Они также провели рентгеновские измерения с помощью спутника XMM-Newton Европейского космического агентства и радиоизмерения с помощью оборудования, включая очень большую решетку Карла Г. Янски Национальной радиоастрономической обсерватории в Сокорро, Нью-Мексико, и телескоп MeerKAT Южноафриканской радиоастрономической обсерватории .

Пик яркости пришел и ушел в мае. Четкой струи не было. Согласно теоретическим предсказаниям, AT2019dsg выглядел как плохой кандидат на нейтрино.

Затем, 1 октября 2019 года, нейтринная обсерватория IceCube Национального научного фонда на Южнополярной станции Амундсена-Скотта в Антарктиде обнаружила нейтрино высокой энергии под названием IC191001A и вернулась по своей траектории к месту в небе. Примерно семь часов спустя ZTF отметила, что на этом же участке неба находится AT2019dsg. Штейн и его команда полагают, что есть только один шанс из 500, что приливное разрушение не является источником нейтрино. Поскольку обнаружение произошло примерно через пять месяцев после того, как событие достигло максимальной яркости, возникают вопросы о том, когда и как эти явления производят нейтрино.

«Приливные сбои – невероятно редкое явление, которое происходит только раз в 10 тысяч – 100 тысяч лет в такой большой галактике, как наша. На данный момент астрономы наблюдали всего несколько десятков0, – отметил главный исследователь Swift С. Брэдли Ченко из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. – Многоволновые измерения каждого события помогают нам больше узнать о них как о классе, поэтому AT2019dsg представлял большой интерес даже без первоначального обнаружения нейтрино».

Например, приливные сбои генерируют видимый и ультрафиолетовый свет во внешних областях своих горячих аккреционных дисков. В AT2019dsg эти длины волн вышли на плато вскоре после достижения пика. Это было необычно, потому что такие плато обычно появляются только через несколько лет. Исследователи подозревают, что чудовищная черная дыра в галактике, масса которой, по оценкам, в 30 миллионов раз превышает солнечную, могла заставить звездный мусор осесть в диск быстрее, чем это могло бы быть вокруг менее массивной черной дыры.

AT2019dsg – одно из немногих известных приливных срывов, излучающих рентгеновское излучение. Ученые считают, что рентгеновские лучи исходят либо от внутренней части аккреционного диска, рядом с черной дырой, либо от высокоскоростных струй частиц. Рентгеновские лучи вспышки исчезли на беспрецедентные 98% за 160 дней. Команда Стейна не видит четких доказательств, указывающих на наличие струй, и вместо этого предполагает, что быстрое охлаждение диска, скорее всего, объясняет резкое падение рентгеновских лучей.

Не все согласны с этим анализом. Другое объяснение, созданное Уолтером Винтером из DESY и профессором Университета штата Аризона в Темпе, Сесилией Лунардини, предполагает, что выбросы исходили от струи, которая была быстро скрыта облаком обломков. Свою альтернативную интерпретацию исследователи опубликовали в том же номере журнала Nature Astronomy .

Приливное разрушение AT2019dsg, разрыв звезды черной дырой
Переходный объект Цвикки сделал снимок приливного разрушения AT2019dsg (обведен кружком) 19 октября 2019 г. Фото : ZTF / Caltech Optical Observatories

Астрономы считают, что радиоизлучение в этих явлениях исходит от частиц черной дыры, ускоряющих их либо в струях, либо в более умеренных потоках. Команда Штейна считает, что AT2019dsg попадает в последнюю категорию. Ученые также обнаружили, что радиоизлучение продолжалось стабильно в течение нескольких месяцев и не угасало вместе с видимым и ультрафиолетовым светом, как предполагалось ранее.

Обнаружение нейтрино в сочетании с многоволновыми измерениями побудило Стейна и его коллег переосмыслить, как приливные сбои могут производить нейтрино высоких энергий.

Радиоизлучение показывает, что ускорение частиц происходит даже без четких мощных струй и может хорошо работать после пика УФ и видимой яркости. Стейн и его коллеги предполагают, что эти ускоренные частицы могут производить нейтрино в трех различных областях приливного разрушения: во внешнем диске в результате столкновений с УФ-светом, во внутреннем диске в результате столкновений с рентгеновскими лучами и в умеренном оттоке частиц в результате столкновений с другими частицами.

Команда Стейна предполагает, что нейтрино AT2019dsg, вероятно, возникло из внешней части диска, светящейся в ультрафиолетовом диапазоне, основываясь на том факте, что энергия частицы была более чем в 10 раз больше, чем может быть достигнута с помощью коллайдеров частиц.

«Мы предсказали, что нейтрино и приливные сбои могут быть связаны, и видеть это впервые в данных очень интересно, – добавил соавтор Сьёрт ван Велзен, доцент Лейденского университета в Нидерландах. – Это еще один пример мощи многопользовательской астрономии, использующей комбинацию света, частиц и пространственно-временной ряби, чтобы больше узнать о космосе. Когда я был аспирантом, мне часто предсказывали, что грядет новая эра астрономии, но сейчас быть частью этого очень полезно ».

Читайте обзоры:

-->