Три года назад на глубине Средиземного моря детектор KM3NeT/ARCA зафиксировал частицу, с которой исследователи еще не сталкивались: космическое нейтрино с беспрецедентной энергией около 220 пэВ (петаэлектронвольт).
Нейтрино с энергией в 10 и более раз превышающей ранее зарегистрированные высокоэнергетические частицы было обнаружено 13 февраля 2023 года у берегов Сицилии. Интересно, что KM3NeT все еще находится в процессе строительства: на момент события функционировала только 21 линия детекторов — примерно 10% от полного состава. Но даже в таком «ограниченном» режиме установка смогла зафиксировать сигнал, который резко выделялся на фоне обычных событий.
Происхождение этой частицы стало настоящей загадкой для исследователей. Один из традиционных сценариев заключается в том, что подобные нейтрино возникают в результате взаимодействия ультравысокоэнергетических космических лучей с космическим микроволновым фоном, реликтовым излучением ранней Вселенной. Альтернативная гипотеза, которую подробно исследовали авторы нового исследования, предполагает, что нейтрино возникло в мощных астрофизических ускорителях, таких как блазары.
Блазары — это активные ядра галактик, где сверхмассивная черная дыра разгоняет струи плазмы почти до скорости света. Именно в этих струях частицы могут накапливать экстремальные энергии, потенциально достаточные для рождения нейтрино такого уровня.
Обычно астрономы ищут электромагнитный «сопровождающий» сигнал — вспышки гамма-, рентгеновского, оптического или радиоизлучения из той же области неба в тот же момент. В данном случае никаких подозрительных явлений не было обнаружено, что подтолкнуло ученых к мысли, что частица могла быть порождена большой популяцией блазаров, а не одним драматическим космическим событием.
Авторы исследования применили открытый симулятор AM3, чтобы смоделировать реалистичную популяцию блазаров с заданными параметрами, основываясь на уже известных значениях, таких как интенсивность магнитного поля и размеры областей излучения вокруг черных дыр.
Ключевыми настраиваемыми параметрами стали барионная нагрузка (доля энергии, приходящейся на протоны относительно электронов) и спектральный индекс протонов, определяющий, насколько высоко по энергиям они могут «разогнаться». Для каждого варианта моделировались как поток нейтрино, так и сопутствующее гамма-излучение, а затем данные сравнивались с показателями нейтринных обсерваторий (KM3NeT, IceCube) и гамма-телескопа Fermi.
Модель популяции блазаров должна была удовлетворить нескольким условиям:
- обеспечить хотя бы одно событие с такой высокой энергией за наблюдаемый период,
- не приводить к «перепроизводству» нейтрино, которое могли бы зарегистрировать другие установки,
- не создавать избытка гамма-квантов сверх фона, измеряемого Fermi.
Авторам удалось подобрать физически правдоподобные параметры, при которых все три условия выполняются. То есть, реалистичная популяция блазаров в принципе способна породить зарегистрированное нейтрино, не противореча современным наблюдениям.