Проследив призрачную частицу до измельченной звезды, ученые обнаружили гигантский ускоритель космических частиц. Субатомная частица, называемая нейтрино, была выброшена на Землю после того, как обреченная звезда подошла слишком близко к сверхмассивной черной дыре в центре ее родной галактики и была разорвана колоссальной гравитацией черной дыры.
Это первая частица, которая может быть прослежена до такого "приливного разрушения" (TDE), и предоставляет доказательства того, что эти малоизученные космические катастрофы могут быть мощными ускорителями естественных частиц, как сообщает в журнале команда ученых DESY Роберта Штейна. Природа Астрономия. Наблюдения также демонстрируют возможности исследования космоса с помощью комбинации различных "посланников", таких как фотоны (частицы света) и нейтрино.
Нейтрино начало свое путешествие около 700 миллионов лет назад, примерно в то время, когда на Земле появились первые животные. Это время, необходимое частице, чтобы добраться из далекой безымянной галактики (занесенной в каталог как 2MASX J20570298 + 1412165) в созвездии Дельфин до Земли. По оценкам ученых, огромная черная дыра имеет массу 30 миллионов солнц.
Сила тяжести становится все сильнее и сильнее, чем ближе вы к чему-то приближаетесь. Это означает, что гравитация черной дыры притягивает ближнюю сторону звезды сильнее, чем ее дальнюю сторону, что приводит к эффекту растяжения. Эта разница называется приливной силой, и по мере приближения звезды это растяжение становится более сильным. В конце концов, это разрывает звезду на части, и тогда мы называем это приливным разрушением. Это тот же процесс, который приводит к океанским приливам на Земле, но, к счастью для нас, Луна не тянет достаточно сильно, чтобы расколоть Землю.
Около половины звездных обломков было выброшено в космос, а другая половина осела на вращающийся диск вокруг черной дыры. Этот "аккреционный диск" чем-то похож на водоворот воды над сливом ванны. Перед тем, как погрузиться в небытие, вещество аккреционного диска становится все горячее и горячее и ярко светится. Это свечение было впервые обнаружено Центром переходных процессов Цвикки (ZTF) на горе Паломар в Калифорнии 9 апреля 2019 года.
Спустя полгода, 1 октября 2019 года, нейтринный детектор IceCube на Южном полюсе зарегистрировал нейтрино чрезвычайно высокой энергии со стороны приливного срыва.
Он врезался в антарктический лед с поразительной энергией более 100 тераэлектронволь. Для сравнения, это как минимум в десять раз больше максимальной энергии частиц, которая может быть достигнута на самом мощном в мире ускорителе элементарных частиц, Большом адронном коллайдере в Европейской лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН недалеко от Женевы.
Следующее видео, созданное NASA, партнером по исследованиям в области природной астрономии , описывает результаты более подробно (видео предоставлено Центром космических полетов имени Годдарда NASA).
Чрезвычайно легкий
Чрезвычайно легкие нейтрино почти ни с чем не взаимодействуют, могут незаметно проходить не только через стены, но и через целые планеты или звезды, и поэтому их часто называют частицами-призраками. Так что даже поймать всего одно нейтрино высокой энергии — уже замечательное наблюдение. Анализ показал, что это конкретное нейтрино имеет только один шанс из 500 полностью совпадать с TDE. Обнаружение побудило к дальнейшим наблюдениям за событием с помощью многих инструментов в электромагнитном спектре, от радиоволн до рентгеновских лучей.
Космический ускоритель извергает различные типы частиц, но, помимо нейтрино и фотонов, эти частицы электрически заряжены и, таким образом, отклоняются межгалактическими магнитными полями на своем пути. Только электрически нейтральные нейтрино могут двигаться по прямой линии, как свет от источника к Земле, и поэтому становятся ценными посланниками таких систем.
Без обнаружения приливного срыва нейтрино было бы лишь одним из многих. А без нейтрино наблюдение приливного срыва было бы лишь одним из многих. Только с помощью комбинации ученые смогли найти ускоритель и узнать что-то новое о процессах внутри. Связь нейтрино высокой энергии и приливного разрушения была обнаружена с помощью сложного программного пакета под названием AMPEL, специально разработанного в DESY для поиска корреляций между нейтрино IceCube и астрофизическими объектами, обнаруженными Zwicky Transient Facility.
Вершина айсберга?
Zwicky Transient Facility был разработан для захвата сотен тысяч звезд и галактик за один снимок и может особенно быстро обследовать ночное небо. В его основе лежит телескоп Самуэля-Ошина диаметром 1,3 м. Благодаря большому полю зрения ZTF может сканировать все небо в течение трех ночей, обнаруживая больше переменных и преходящих объектов, чем любой другой оптический обзор до него. С момента начала работы в 2018 году мы зафиксировали более 30 приливных срывов, что более чем вдвое превышает известное количество таких объектов. Когда ученые поняли, что второй по яркости TDE, наблюдаемый нами, был источником высокоэнергетического нейтрино, зарегистрированного IceCube, мы были в восторге.
Возможно, мы видим здесь только верхушку айсберга. В будущем ученые ожидают найти гораздо больше ассоциаций между нейтрино высоких энергий и их источниками. Строится новое поколение телескопов, которые обеспечат большую чувствительность к TDE и другим потенциальным источникам нейтрино. Еще более важным является планируемое расширение детектора нейтрино IceCube, которое увеличит количество обнаружений космических нейтрино по крайней мере в десять раз. Эта TDE знаменует собой лишь второй случай, когда космическое нейтрино высокой энергии может быть прослежено до его источника.
