Нейтрино — забавные маленькие частицы, которые почти ничего не весят, что делает их одними из самых неуловимых «кирпичиков» мироздания. Они могут рождаться в таких обыденных объектах, как бананы, и в таких экзотических, как сверхновые — взрывные агонии массивных звёзд. Большинство нейтрино беспрепятственно летят сквозь космос и проходят сквозь Землю, ни с чем не взаимодействуя.
Эксперимент под названием IceCube, созданный для регистрации этих «частиц-призраков», испускаемых астрофизическими событиями, только что получил Нобелевскую премию. Как физик, я заинтересован в том, чтобы выяснить, откуда приходят нейтрино, которые регистрирует IceCube. Исследование, которое мы с коллегами опубликовали в октябре 2026 года, показывает, что для ответа на этот вопрос мы потенциально можем использовать радиотелескопы.
Хотя эти телескопы не видят нейтрино, мы можем использовать их данные, чтобы сопоставить регистрации IceCube с их возможными источниками в космосе. Знание того, какие типы объектов производят нейтрино, может рассказать астрономам о физических процессах, происходящих внутри этих объектов.
Застенчивая природа нейтрино
Большинство частиц взаимодействуют с Вселенной через фундаментальную силу природы, называемую электромагнетизмом. Это сила, которая питает телефон, планшет или компьютер, на котором вы, возможно, читаете эту статью. Она движет всей химией, ответственной за жизнь, и отвечает за свет, который видят ваши глаза.
Что делает нейтрино странными, так это то, что они не взаимодействуют с Вселенной через электромагнетизм. Вместо этого они взаимодействуют с миром посредством силы, которую физики называют слабым взаимодействием. Эта сила действует только на расстояниях меньше, чем внутренняя часть атомного ядра; поэтому нейтрино должны пройти очень и очень близко к центрам атомов, чтобы взаимодействовать — иначе они просто пролетают насквозь. Это делает их очень трудными для обнаружения — но не невозможными.
Учёные научились регистрировать нейтрино из космоса — так называемые астрофизические нейтрино — начиная с 1960-х годов. Обычно они приходят от нашего Солнца и, по крайней мере в одном случае, от сверхновой.
За последнее десятилетие или около того исследователи обсерватории IceCube, носящей столь подходящее название, использовали антарктический лёд Южного полюса в качестве нейтринного телескопа. Плотно упакованный лёд даёт нейтрино множество возможностей взаимодействовать с молекулами воды, и детекторы могут видеть излучение от этих взаимодействий, когда они происходят.
Тем не менее нейтрино действительно являются одними из самых интровертных частиц природы, и требуется время, чтобы какая-либо из молекул льда получила шанс взаимодействовать с нейтрино. Но при достаточном времени это в конце концов происходит. А при ещё большем времени это происходит снова. Чем больше времени вы даёте, тем больше взаимодействий вы видите и тем больше нейтрино регистрируете.
Обсерватория IceCube состоит из подвешенных мачт с детекторами, вмороженных в лёд. Если пролетающее нейтрино взаимодействует с молекулами во льду, они испускают свет, который регистрируется датчиками IceCube и указывает направление и энергию частицы.
IceCube использовала этот подход для регистрации астрофизических нейтрино, которые в сотни тысяч раз более энергичны, чем наблюдавшиеся ранее. Открытие этих высокоэнергетических астрофизических нейтрино открыло новое окно в нашу Вселенную.
То же свойство, которое делает их трудными для обнаружения — а именно их нежелание взаимодействовать с окружением — также делает их эффективным способом увидеть высокоэнергетические процессы в местах, куда свет не может проникнуть. Проблема в том, что мы не уверены, откуда они все приходят.
Откуда могут появляться астрофизические нейтрино?
Конечно, у учёных есть некоторые идеи об их происхождении. Квазары — объекты, где материя разрывается на части чёрными дырами в миллионы раз массивнее нашего Солнца — кажутся вероятными кандидатами. В 2017 году IceCube зарегистрировала нейтрино, которое, по-видимому, пришло из направления квазара, известного как TXS 0506+056, одновременно с тем, как телескоп обнаружил вспышку гамма-излучения от того же объекта.
Это открытие интересно тем, что процессы, производящие нейтрино — а именно распад субатомных частиц — должны также производить высокоэнергетическое электромагнитное излучение, а именно гамма-лучи. Поэтому учёные ожидают, что источники нейтрино также должны производить вспышки гамма-излучения.
Однако TXS 0506+056 — всего лишь один объект. Он может не быть типичным для большинства высокоэнергетических нейтрино. До сих пор было мало свидетельств более общей связи между вспышками гамма-излучения и регистрацией нейтрино. Но гамма-лучи могут быть легко заслонены.
Подобно свинцовому фартуку, который надевает техник, делающий вам рентген в больнице, чтобы защититься от излучения, пыль и газ, скапливающиеся вблизи сверхмассивной чёрной дыры, могут блокировать гамма-лучи, не давая им достичь Земли.
Однако другая форма электромагнитного излучения, невидимая для гамма-телескопов — радиоволны — не так легко экранируется. Использование телескопов, наблюдающих радиоволны из космоса, может дать учёным альтернативный способ увидеть, что происходит.
Использование радиотелескопов
Начиная с 2017 года Очень большой массив (Very Large Array) в Нью-Мексико начал отслеживать, как меняется яркость радиоизлучения из космоса со временем — проект, известный как Обзор неба Очень большого массива, или сокращённо VLASS. Моя команда и я недавно показали, что большинство объектов, наблюдаемых VLASS с переменным радиоизлучением, являются квазарами того же типа, который IceCube ранее наблюдала как источник нейтрино.
Обзор неба Очень большого массива делает множество снимков неба и складывает их вместе. Он регистрирует радиоволны и использует их для точного определения астрономических объектов.
Интересно, что когда мы сравнили моменты, когда IceCube регистрировала нейтрино, с моментами, когда объекты, замеченные VLASS, переживали вспышки радиоизлучения, по-видимому, обнаружилась корреляция.
Иными словами, когда IceCube регистрирует астрофизическое нейтрино, в той же части неба ярче становится радиоисточник — чаще, чем можно было бы ожидать по случайности. Эти радиовспышки, по-видимому, связаны лишь примерно с 13% астрофизических нейтрино, зарегистрированных IceCube, что означает, что мы всё ещё не можем объяснить происхождение большинства астрофизических нейтрино. Однако более 90% радиовсплесков, потенциально связанных с нейтрино, вообще не видны нашим гамма-телескопам.
Если источник происхождения нейтрино скрыт на длинах волн гамма-излучения, но не на радиоволнах, то радиотелескопы могут стать важнейшим инструментом нейтринной астрономии.
На данный момент сигнал, который мы видим, интригует и даже будоражит воображение. Но существует примерно 1 шанс из 30 получить наблюдаемые результаты даже при отсутствии корреляции между нейтрино и радиовспышками. Это примерно те же шансы, что при пяти подбрасываниях монеты каждый раз выпадет орёл: маловероятно, но не невозможно.
Учёные чувствуют себя гораздо спокойнее, когда вероятность случайности результата ближе к одному шансу из миллиона — то же самое, что выбросить орла 20 раз подряд. Чтобы подтвердить, реально ли то, что мы видим, нужно больше наблюдений. Мы ожидаем получить их в ближайшие несколько лет.
Одно можно сказать наверняка: сейчас захватывающее время для изучения происхождения астрофизических нейтрино, и, похоже, радиoастрономам предстоит сыграть в этом большую роль.
Источники: The Conversation, IceCube Neutrino Observatory, Very Large Array Sky Survey (VLASS), Nature (2026).
Поделитесь в вашей соцсети👇
Ваш комментарий