Одна частинка пронизала лід Антарктиди і подалася крізь усю Землю, наче крізь привид. Вчені назвали її IC 210922A і повели полювання, яке тривало 11 мільярдів років.
Вони очікували побачити чорну діру.
Натомість знайшли фабрику зірок.
Полювання на привида
Нейтрино серед найзагадковіших мешканців космосу. Ці «космічні привиди» пронизують простір і навіть нашу планету, майже не торкаючись речовини. Мільярди таких частинок проходять крізь ваше тіло щосекунди, і ви цього не помічаєте. Вони не мають електричного заряду, їхня маса мізерна, а взаємодія зі світом навколо настільки рідкісна, що нейтрино легше пройти крізь свинцеву стіну завтовшки в світловий рік, ніж фотону крізь шибку.
Тому їх і так важко зловити.
Але в Антарктиді, на глибині від 1450 до 2450 метрів у крижаному щиті, розташована обсерваторія IceCube. Там понад 5000 датчиків слідкують за спалахами синього світла випромінюванням Черенкова, яке виникає, коли нейтрино зрідка взаємодіє з льодом. Подія IC 210922A одна з таких спрацьовувань. І вона вказувала в певну точку неба.
Проблема в тому, що джерела високоенергетичних нейтрино здебільшого залишаються невідомими. Хоча наука вже ідентифікувала кілька галактик, здатних їх виробляти, цих джерел катастрофічно бракує, щоб пояснити все, що фіксує IceCube. Куди подівається решта енергії? Хто ще в космосі запускає цих невловимих мандрівників?
11 мільярдів років і чотири копії
Коли нейтрино зафіксували в антарктичному льоді, міжнародна команда астрономів розгорнула справжнє детективне розслідування. До нього долучилися дослідники із MITOS Science Co., LTD., Національного центрального університету Тайваню, університету Чун Юань, Тохоку, Технологічного університету Фукуї та Національної астрономічної обсерваторії Японії. Їхня мета знайти точку в небі, звідки прилетіла ця частинка.
Пошук привів їх до надзвичайно яскравої галактики під позначенням JCMT0402−0424.
Вона розташована приблизно за 11 мільярдів світлових років від Землі. Це означає, що ми спостерігаємо за подіями, які відбулися тоді, коли Всесвіту було менше трьох мільярдів років епоха, яку астрономи називають «космічним полуднем», пік зореутворення в історії космосу.
Раніше відомі нейтрино-джерела зазвичай живилися надмасивними чорними дірами. Тому команда очікувала саме цього. Але галактика виявилася прихованою за щільною завісою космічного пилу. У видимому світлі її майже не розгледіти вона поглинає світло так ефективно, що здається, ніби там нічого немає.
На щастя, Всесвіт сам подбав про інструмент, якого не має жоден телескоп на Землі.
Космічне лінзування
Між Shadow Blaster і нашою планетою опинилася інша галактика. Її гравітація викривила простір-час і підсилила радіохвилі, що йшли від далекого джерела, ефект гравітаційного лінзування, передбачений Альбертом Ейнштейном ще 1936 року. Природний телескоп створив не одну, а чотири спотворені копії галактики, кожна з яких була яскравішою та збільшеною.
Це й дозволило атакамському комплексу ALMA заглянути всередину.
ALMA це найпотужніший субміліметровий телескоп на планеті, розташований у чилійській пустелі Атакама на висоті 5000 метрів. Його антени виявили щось неймовірне. Жодних слідів потужної чорної діри. Жодних характерних викидів енергії, які б видавали присутність акреційного диска чи релятивістського струменя. Замість пастки для світла бурхливий вогник.
Газ і пил у галактиці нагрівалися не розпадом речовини біля горизонту подій, а чимось іншим.
Чимось, що працює не менш потужно.
Тіньовий Стрілець
Через приховану природу та екстремальну яскравість у субміліметровому діапазоні команда дала галактиці прізвисько Shadow Blaster «Тіньовий Стрілець». Ця назва точно передає її сутність: обєкт, який неможливо побачити напряму, але який бє з неймовірною силою.
ALMA виявила компактне ядро в центрі галактики регіон завширшки лише близько 1500 світлових років. Для порівняння: тільки диск нашого Чумацького Шляху простягається на 100 000 світлових років. У цьому крихітному обємі стискаються гігантські маси газу та пилу, де народження світил відбувається з шаленою інтенсивністю.
Така середовище класична фабрика зірок.
Як саме зореутворення породжує нейтрино? У компактному ядрі Shadow Blaster зорі народжуються і вмирають з шаленою швидкістю. Вибухи наднових та молоді пульсари прискорюють космічні промені до неймовірних енергій. Коли ці промені вдаряються об атоми газу та пилу, виникають піони нестабільні частинки, які розпадаються саме на нейтрино. Цей процес відбувається постійно, перетворюючи галактику на справжній конвеєр частинок-привидів.
Кожне нове світило, кожен вибух наднової та прискорення космічних променів генерують нейтрино. Вони подорожують космосом мільярди років, не торкаючись нічого, поки не вдаряться в антарктичний лід.
«Компактні пилові галактики з активним зореутворенням можуть давати значно більшу частку високоенергетичних нейтрино, ніж ми вважали раніше», пояснює позицію команди головний автор дослідження Юджі Урата.
- Пилова завіса повністю блокує видиме світло, роблячи галактику невидимою для звичайних телескопів
- Компактне ядро регіон 1500 світлових років, де газ стискається з неймовірною швидкістю
- Екстремальне зореутворення народження зірок і вибухи наднових генерують космічні промені та нейтрино
- Гравітаційне лінзування передня галактика підсилила сигнал у чотири рази, відкривши доступ до внутрішньої структури
Фабрика нейтрино
Відкриття змінює правила гри. Раніше астрономи шукали нейтрино переважно біля чорних дір і активних галактичних ядер найпотужніших відомих джерел енергії в космосі. Тепер же зясувалося, що бурхливе зореутворення в пилових галактиках здатне запускати ті самі процеси, які породжують «космічних привидів».
Аналіз команди вказує на вражаючу цифру.
Такі галактики можуть відповідати за до 20% усіх високоенергетичних нейтрино, що їх спостерігають у Всесвіті. Це означає, що кожна пята частинка-привид, яка пролітає крізь Землю, могла народитися не в пащі чорної діри, а в зоряній колисці, захованій за пилом.
Це також пояснює, чому досі не вдавалося ідентифікувати більшість джерел. Галактики на кшталт Shadow Blaster занадто закриті, щоб їх було легко побачити. Вони не випромінюють характерного світла в оптичному діапазоні, яке шукають традиційні телескопи. Їх треба ловити в радіо- та субміліметровому діапазонах і сподіватися на космічне співпадіння, яке дасть гравітаційне лінзування.
Дослідження, опубліковане в журналі Nature Astronomy, стало результатом роботи міжнародної колаборації. Його автори Юджі Урата, Куйюн Хуанг, Буньо Хацукаде, Мансі Каслівал, Шігео Кімура, Юїчі Мацуда, Юске Міямото, Хіроші Нагаї, Коуйтіро Наканісі та Роберт Штейн фактично запропонували нову карту для полювання на нейтрино.
Що далі
Астрономи планують перевірити гіпотезу на інших схожих галактиках. Якщо дані підтвердяться, модель виробництва нейтрино потребуватиме серйозного коригування. Замість монополії чорних дір ми отримаємо диверсифіковану карту джерел, де зореутворення грає не менш важливу роль.
Shadow Blaster уже став першим представником цілого класу обєктів, які раніше залишалися поза увагою.
І кожна нова така галактика, знайдена завдяки ALMA та IceCube, додаватиме ще одну деталь до мозаїки космічної енергетики.
А поки що галактика JCMT0402−0424 продовжує світити невидима для ока, але грандіозна за масштабом. У її ядрі, всього за 1500 світлових років, кипить робота, яка тривала мільярди років до того, як на Землі зявилося перше життя.
І коли наступне нейтрино пронизує ваше тіло а це станеться прямо зараз подумайте: з ймовірністю одна до пяти воно могло прилетіти звідти.
Із зоряної фабрики, яку ми ледь помітили.
Про автора
