Ученые проследили высокоэнергетическую «призрачную частицу» до галактики «Теневой Бластер»

Астрономы проследили высокоэнергетическую «призрачную частицу» до Теневого Бластера, галактики, образующей звезды, расположенной на расстоянии 11 миллиардов световых лет. Это означает, что эта частица, нейтрино, путешествовала к нам с тех пор, как Вселенной, возрастом 13,8 миллиарда лет, было всего около 3 миллиардов лет.

Это открытие предоставляет первые доказательства того, что галактики, образующие звезды, такие как Теневой Бластер, играют значительную роль в заселении Вселенной загадочными высокоэнергетическими космическими нейтрино-призраками. Эти частицы получили свое жуткое название, потому что, обладая практически нулевой массой и отсутствием электрического заряда, они проходят через материю с минимальным или отсутствующим взаимодействием, двигаясь почти со скоростью света. Для контекста, пока вы читаете это предложение, более 65 миллиардов нейтрино прошли через каждый квадратный дюйм вашего тела; это примерно 100 миллиардов на квадратный сантиметр.

Несмотря на трудности, связанные с обнаружением таких частиц, человечество наблюдает нейтрино с 1960-х годов, но лишь несколько источников этих частиц были идентифицированы. Нейтрино являются вторыми по распространенности частицами во Вселенной после фотонов, частиц света, и идентифицированных источников недостаточно, чтобы объяснить это изобилие. Это побудило к поиску других, скрытых источников нейтрино, особенно тех, которые могут ускорять нейтрино до высоких энергий. Теперь этот поиск привел к идентификации невероятно яркой галактики Теневой Бластер, официально обозначенной как JCMT0402−0424, которая светит в инфракрасном диапазоне, как потенциального источника нейтрино.

«Теневой Бластер обладает плотной, богатой газом средой, которая, как давно предполагают теоретические модели, может эффективно производить высокоэнергетические нейтрино», — сказал Юдзи Урата из MITOS Science Co., LTD. на Тайване в заявлении. «Если это подтвердится, Теневой Бластер станет первой индивидуальной пыльной галактикой, образующей звезды, непосредственно связанной с событием высокоэнергетического нейтрино».

На данный момент нет других надежных кандидатов в качестве потенциальных источников для этого высокоэнергетического нейтрино, обозначенного как IC 210922A.

В погоне за призраками

Астрономы были предупреждены о существовании IC 210922A полтора десятилетия назад, когда это высокоэнергетическое событие нейтрино было обнаружено Обсерваторией нейтрино IceCube, расположенной в Антарктиде. Это заставило астрономическое сообщество исследовать космос в направлении созвездия Эридан для потенциальных источников электромагнитного сопоставления с этим событием с помощью различных телескопов. Это не дало убедительных гамма-лучевых, рентгеновских или оптических сопоставлений с обнаружением нейтрино, также не удалось связать IC 210922A с гамма-всплеском, сверхновой или событием приливного разрушения (в котором черная дыра насильственно разрывает звезду).

Урата и его коллеги начали свой личный поиск с телескопа Джеймса Клерка Максвелла (JCMT), управляемого Восточноазиатской обсерваторией, и Подмиллиметровой решетки (SMA), обнаружив Теневой Бластер, галактику в правильном положении и с нужным уровнем яркости, чтобы быть связанной с IC 210922A. Команда продолжила исследование с использованием Большой миллиметровой/подмиллиметровой решетки Атакама (ALMA), коллекции из 66 антенн радиоволн на севере Чили.

Обнаружение этой галактики стало возможным благодаря тому, что она сильно гравитационно линзирована. Гравитационное линзирование — это явление, которое происходит, когда объект большой массы оказывается между Землей и удаленным фоновым источником, искривляя структуру пространства-времени. Когда свет из фонового источника проходит через это искривление, его путь изгибается. Это приводит к тому, что свет из линзированного источника достигает наших телескопов в разное время, что вызывает его усиление.

В случае Теневого Бластера, прежде чем команда могла узнать что-либо об этой далекой галактике, им нужно было выяснить больше о объекте, служащем промежуточной гравитационной линзой, в частности, какой это объект, его масса и расстояние от нас. Для этого они обратились к телескопу Gemini North и его инструментам Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) и Gemini Near-InfraRed Spectrograph (GNIRS).

С определением модели гравитационной линзы команда обнаружила, что Теневой Бластер — это галактика с чрезвычайно компактным сердцем, заполненным плотными облаками газа и пыли, которые питают интенсивный всплеск звездообразования. Такой регион давно теоретизировался как мощный ускоритель частиц. Поскольку Теневой Бластер не имеет питающей сверхмассивной черной дыры, это исследование показывает, что эти регионы все равно могут служить космическими ускорителями частиц, когда они содержат спящие черные дыры и в отсутствие мощных струй, которые извергаются из активных галактических ядер (AGNs).

Что касается общей популяции нейтрино, это исследование также может помочь объяснить ее. Сильно звездообразующие галактики, или галактики-всплески звездообразования, как считается, были распространены около 10 миллиардов лет назад в ранней Вселенной. Таким образом, эти галактики могли производить множество высокоэнергетических нейтрино. Однако доказать это может быть сложно, так как астрономы не имеют удачи находить все эти галактики, скрывающиеся за гравитационной линзой, что означает, что они могут быть слишком тусклыми и удаленными для изучения.

«Наш анализ предполагает, что эта популяция может составлять до примерно 20% наблюдаемого диффузного фона нейтрино, измеренного IceCube», — заключил Урата.

Исследование команды было опубликовано в среду (17 июня) в журнале Nature Astronomy.