Короны сверхмассивных черных дыр могут быть скрытыми источниками космических нейтрино

Новая модель может помочь объяснить неожиданно большой поток нейтрино, выведенный из недавних данных о нейтрино и гамма-лучах. Документ исследователей, описывающий модель, которая указывает на сверхмассивные черные дыры, обнаруженные в ядрах активных галактик в качестве источников таинственных нейтрино, опубликован 30 июня 2020 года в журнале Physical Review Letters.

«Нейтрино - это субатомные частицы, настолько крошечные, что их масса почти равна нулю, и они редко взаимодействуют с другим веществом», - говорит Кохта Муразе, доцент кафедры физики, астрономии и астрофизики в Университете Пенсильвании, который руководил исследованиями. «Высокоэнергетические космические нейтрино создаются энергетическими ускорителями космических лучей во Вселенной, которые могут быть черными дырами и нейтронными звездами. Они должны сопровождаться гамма-лучами или электромагнитными волнами при более низких энергиях и даже иногда гравитационными волны. Таким образом, мы ожидаем, что уровни этих различных наблюдаемых «космических посланников», связаны между собой. Интересно, что данные IceCube указывают на избыточное излучение нейтрино при энергии ниже 100 тераэлектрон вольт (ТэВ) по сравнению с уровнем соответствующих высокоэнергетических гамма-лучей, видимые космическим телескопом гамма-излучения Ферми».

Ученые объединяют информацию от всех космических посланников, чтобы узнать о событиях во Вселенной и реконструировать ее эволюцию. Для таких космических событий, как массивные звездные взрывы и джеты сверхмассивных черных дыр, которые создают нейтрино, этот подход помог астрономам точно определить отдаленные источники, и каждый дополнительный посланник предоставляет дополнительные подсказки о деталях явлений.

Для космических нейтрино выше 100 ТэВ предыдущие исследования, проведенные учеными, показали, наличие гамма-лучей высокой энергии и космических лучей сверхвысокой энергии, что соответствует изображению с несколькими посланниками. Тем не менее, появляется все больше доказательств избытка нейтрино ниже 100 ТэВ, что просто невозможно объяснить. Совсем недавно нейтринная обсерватория IceCube сообщила об очередном избытке высокоэнергетических нейтрино в направлении одной из самых ярких активных галактик NGC 1068 в северном небе.

«Нам известно, что источники высокоэнергетических нейтрино также должны создавать гамма-лучи, поэтому возникает вопрос: где эти недостающие гамма-лучи?» сказал Муразе. «Источники как-то скрыты от нашего взгляда в высокоэнергетических гамма-лучах, и энергетический баланс нейтрино, выпущенных во Вселенную, удивительно велик. Лучшие кандидаты для этого типа источников имеют плотную среду, где гамма-лучи будут блокироваться от взаимодействия с излучением и веществом, но нейтрино могут легко сбежать. Наша новая модель показывает, что сверхмассивные системы чёрных дыр стали многообещающими участниками, и модель может объяснить нейтрино ниже 100 ТэВ при скромных энергетических требованиях».

Новая модель предполагает, что корона (аура сверхгорячей плазмы, которая окружает звезды и другие небесные тела) вокруг сверхмассивных черных дыр, найденных в ядре галактик, может быть таким источником. По аналогии с короной Солнца во время солнечного затмения, астрофизики полагают, что корона черных дыр расположена над аккреционным диском, который образуется вокруг черной дыры благодаря гравитационному воздействию. Эта корона очень горячая (с температурой около миллиарда градусов Кельвина), намагниченная и турбулентная. В этой среде частицы ускоряются и сталкиваются, что может создать нейтрино и гамма-лучи, но среда достаточно плотная, чтобы предотвратить выброс высокоэнергетических гамма-лучей.

«Модель также предсказывает электромагнитные аналоги источников нейтрино в «мягких» гамма-лучах вместо высокоэнергетических гамма-лучей», - сказал Муразе. «Высокоэнергетические гамма-лучи будут заблокированы, но это не конец истории. В конечном итоге они будут каскадно понижаться до более низких энергий и выпущены как «мягкие» гамма-лучи в диапазоне мегаэлектрон-вольт, но большая часть существующих детекторов гамма-излучения, такие как космический телескоп Ферми, не настроены на их обнаружение».

Разрабатываются проекты, специально предназначенные для изучения такого мягкого гамма-излучения из космоса. Кроме того, детекторы нейтрино следующего поколения, KM3Net в Средиземном море и IceCube-Gen2 в Антарктике будут более чувствительными к источникам. Перспективными целями остаются NGC 1068 в северном небе, о котором сообщалось об избыточном излучении нейтрино, и несколько самых ярких активных галактик в южном небе.

«Эти новые детекторы гамма-излучения и нейтрино позволят проводить более глубокие поиски излучения корон сверхмассивных черных дыр», - сказал Муразе. «Это позволит критически оценить, ответственны ли эти источники за большой поток нейтрино среднего уровня, наблюдаемый IceCube, как и предсказывает наша модель».