20.11.2015

Нейтринная астрофизика делает первые шаги

Два года назад человечеству открылось еще одно окно для наблюдения за глубоким космосом - через нейтрино высокой энергии. Статистика таких астрофизических нейтрино пока мала. Но, сопоставляя ее с другими астрофизическими данными всесигнальной астрономии (то есть астрономии, связанной не только с электромагнитным излучением), можно уже сейчас получать любопытные результаты и накладывать ограничения на механизмы рождения астрофизических нейтрино. В последнее время появилось сразу несколько публикаций с примерами таких выводов, и их с полным правом можно назвать первыми шагами этой юной пока дисциплины - нейтринной астрофизики.

Три канала получения информации в современной астрономии

Современный астрономический инструментарий позволяет изучать объекты глубокого космоса во всем спектре электромагнитных волн - от радиоволн и до гамма-лучей сверхвысокой энергии, с энергиями отдельных фотонов в десятки ТэВ. Это первый канал получения информации (или первый тип сигналов) о глубоком космосе. Угловое и спектральное распределение, величина потока и его изменчивость во времени в буквальном смысле слова открывают перед астрофизиками новые миры, дают им шанс разобраться, что же происходит внутри этих источников излучений.

Кроме электромагнитных волн у астрофизиков есть и другой способ наблюдения за глубоким космосом - через космические лучи высокой энергии. Частицы космических лучей (протоны, электроны, ядра) разгоняются в природных «ускорителях» - например, на фронте ударной волны, бегущей в межзвездной среде. Энергии космических лучей достигают совершенно невообразимых значений, вплоть до миллиарда ТэВ (10²¹ эВ). Такие частицы вполне надежно регистрируются наземными установками. Их потоки, направления прихода и спектральное распределение тоже могут рассказать немало интересного об объектах глубокого космоса.

Два года назад астрофизикам стал доступен и третий способ наблюдения за глубоким космосом - через нейтрино сверхвысокой энергии. Конечно, нейтрино довольно больших энергий регистрировались и раньше, но до сих пор этот поток можно было списать на атмосферные нейтрино. Если среди них и были пришельцы из далекого космоса, то они все равно терялись на фоне атмосферных нейтрино. И только совсем недавно, в 2013 году, размещенный на Южном полюсе в толще антарктического ледника детектор IceCube впервые зарегистрировал нейтрино с энергией выше 1000 ТэВ, которые точно списать на атмосферные не получается. Годом позже, спустившись чуть ниже по шкале энергий и проанализировав 37 событий с энергией от 30 ТэВ, IceCube окончательно установил астрофизическую природу большинства из них. Эти достижения и стали моментом рождения нового раздела науки о космосе - нейтринной астрофизики.

Маленькое терминологическое отступление. Во-первых, солнечные нейтрино, за регистрацию которых была присуждена часть Нобелевской премии по физике за 2002 год, тоже иногда называют космическими или астрофизическими. Если раньше такой термин не вызывал вопросов, то сейчас астрофизическими все же называют нейтрино, прилетевшие из глубокого космоса.

Во-вторых, надо, конечно, оговориться, что один раз астрофизические нейтрино уже регистрировались. Это случилось в 1987 году, когда сразу несколько нейтринных детекторов зафиксировали горстку событий, порожденных сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке. Эти нейтрино - настоящие астрофизические, но они относительно низкоэнергетические. Они, конечно, где-то постоянно производятся во Вселенной, но только отличить их от других источников можно лишь для очень близких вспышек, по их группировке во времени. Один раз нам повезло; когда будет следующий раз - неизвестно. Те нейтрино, которые поймал IceCube, - совершенно иного происхождения; порождающие их источники работают непрерывно и очень долго.

Нейтрино - это прекрасный носитель информации об астрофизических катаклизмах. Во-первых, это частица нейтральная, поэтому в магнитных полях она не отклоняется, а летит прямо сквозь вселенную. Источник каждого астрофизического нейтрино лежит именно в том направлении, в котором мы его зарегистрировали, - и этим он кардинально отличается от частиц космических лучей. Во-вторых, нейтрино не поглощаются материей, и поэтому они могут вылетать даже из области, скрытой от «электромагнитного глаза» толстой газопылевой завесой.

Итак, астрофизикам сейчас доступны три канала получения информации, или три типа сигналов ("messenger"), о том, какие процессы происходят в том или ином объекте глубокого космоса. В будущем к этому списку добавятся и гравитационные волны. Один и тот же объект может давать сигналы во всех типах излучений (см. пример на рис. 2). Поэтому естественным образом возникает желание сопоставить картину неба в электромагнитных волнах, в космических лучах и в нейтрино. Эта программа исследований, условно называемая всесигнальной астрономией ("multi-messenger astronomy"), ведется уже давно (см. Shin’ichiro Ando et al., 2013. Multimessenger astronomy with gravitational waves and high-energy neutrinos), но сейчас, с обнаружением астрофизических нейтрино высоких энергий, открывается новая ее глава.

За последний месяц в архиве электронных препринтов появилось сразу три исследования такого рода. Это, во-первых, сравнение данных IceCube с результатами другого нейтринного телескопа - ANTARES; во-вторых, поиск корреляций в направлениях прихода нейтрино и космических лучей сверхвысокой энергии; и, наконец, исключение одной из гипотез о происхождении нейтринного потока на IceCube с помощью данных по изотропному гамма-фону. Детали этих трех работ описаны ниже. Появляются также и теоретические работы (мы их касаться не будем), в которых показывается, что сопоставление данных по разным мессенджерам поможет прояснить детали разных астрофизических взрывных процессов. Пример такого результата для гамма-всплесков как раз показан на рис. 2.

Сравнение данных IceCube и ANTARES

Происхождение астрофизических нейтрино высокой энергии до сих пор неизвестно. Точнее будет сказать так: теоретическая астрофизика предлагает длинный список возможных объектов и процессов, которые могли бы их породить, но какой из них в реальности отвечает наблюдаемому потоку, мы пока не знаем.

В духе всесигнального подхода хочется первым делом проверить, не совпадают ли направления прихода нейтрино высокой энергии с известными источниками. Это сопоставление было выполнено уже в первой работе IceCube, и никакой четкой корреляции там не увидели. Можно задать и другой вопрос: а группируются ли эти нейтрино в компактные кластеры по направлениям прилета? Если такой кластер будет надежно зарегистрирован, он точно укажет на источник, пусть даже невидимый никакими другими методами. Такой анализ был проделан коллаборацией IceCube, и тут ответ тоже отрицательный: статистика пока что не противоречит гипотезе об изотропном распределении нейтрино. Если говорить точнее, то намеки на группировку были обнаружены, но из-за большой погрешности в определении направления прилета статистическая значимость сигнала оказалась невелика.

Недавно вышла совместная статья First combined search for neutrino point-sources in the Southern Hemisphere with the ANTARES and IceCube neutrino telescopes двух нейтринных коллабораций, IceCube и ANTARES, в которой этот же анализ был проведен на объединенной статистике нейтрино высоких энергий. ANTARES - это еще один крупный нейтринный телескоп, который проработал в Средиземном море с 2007 по 2012 годы, а теперь достраивается до установки KM3NeT объемом в кубический километр. Он расположен в Северном полушарии, поэтому ему, в отличие от IceCube, намного проще измерять поток астрофизических нейтрино из Южного полушария, поскольку огромный фон атмосферных мюонов блокирует Земля. Пусть данные ANTARES доходят по энергии лишь до 100 ТэВ, это уже достаточно для того, чтобы объединить их со статистикой IceCube и в суммарной выборке поискать закономерности.

Для анализа, представленного в этой статье, использовалась статистика из 146 тысяч событий, набранных IceCube с 2008 по 2011 годы, и статистика ANTARES, включавшая 5516 событий за пять лет работы. Несмотря на такую большую разницу, два эксперимента дали сравнимый вклад в общую выборку астрофизических нейтрино из Южного полушария. Было выполнено два анализа этой статистики: поиск кластеров в направлениях прилета и сопоставление нейтринных событий с каталогом самых ярких в гамма-диапазоне источников.

Конечно, при таком большом объеме данных, разбросанных по всему небу, неизбежно то тут, то там будут встречаться группы из нескольких очень близких нейтринных событий. Такие кластеры действительно нашлись; самый заметный содержал 8 событий в области размером в 1 градус (рис. 3). Хотя вероятность такого совпадения в этой конкретной области очень мала (меньше одной миллионной), на карте таких областей очень много. Поэтому показательным числом тут является глобальная статистическая значимость, и она оказалась очень небольшой. Сравнения с многочисленными сеансами моделирования показали, что чисто случайное распределение нейтрино по всему небу дает в 24% случаев подобное отклонение. Таким образом, никакого намека на статистически достоверную кластеризацию обнаружено не было.

Второй анализ заключался в сравнении направлений прилета нейтрино с каталогом из 40 ярких объектов глубокого космоса, которые могли бы быть источниками высокоэнергетических нейтрино. Тут было тоже обнаружено некоторое совпадение в паре случаев, но, с учетом большой выборки, и этот сигнал оказался статистически недостоверным. Вероятность того, что полностью случайное распределение нейтрино выдало бы такое или еще более сильное совпадение, составила 11%.

Таким образом, загадка происхождения астрофизических нейтрино высокой энергии остается. Карта нейтринных событий, пойманных ANTARES и IceCube, не позволяет идентифицировать статистически достоверных точечных источников.

Корреляции между нейтрино и космическими лучами сверхвысокой энергии

Хотя происхождение как высокоэнергетических нейтрино, так и космических лучей сверхвысокой энергии до сих пор неизвестно, физики подозревают, что эти две загадки тесно связаны друг с другом (рис. 2). Те грандиозные процессы, которые способны разгонять космические лучи до сверхвысоких энергий, должны также производить и высокоэнергетичные нейтрино. Дело в том, что некоторые из разогнанных протонов неизбежно сталкиваются с атомами межзвездной среды и порождают многочисленные адроны, в том числе и пи-мезоны. Пи-мезоны распадаются и при распаде испускают нейтрино. Энергия нейтрино получается намного меньше, чем у исходного протона, но она все равно может достичь сотен и тысяч ТэВ.

Для физиков этот механизм был железобетонным аргументом в пользу того, что астрофизические нейтрино высоких энергий существуют. Ради них, собственно, и строился IceCube. Сейчас они пойманы, и возникает следующий вопрос: как экспериментально доказать, что этот механизм работает?

Сделать это можно, если достоверно обнаружить какой-то источник, который порождает и космические лучи сверхвысокой энергии, и астрофизические нейтрино. Это, конечно, задача очень непростая. Космические лучи на пути к Земле отклоняются хаотическим магнитным полем. В результате траектория для частиц умеренно большой энергии беспорядочно петляет внутри галактического диска, обнаружить какую-то связь между направлениями прихода таких частиц и их источниками - нереально. Для частиц экстремально высоких энергий этот эффект слабее, они всего лишь отклоняются на некоторый угол, что оставляет физикам шансы обнаружить их источники. Тем не менее даже если на небе есть источники, «выстреливающие» и нейтрино, и космическими лучами, то эти два сигнала потом все равно разойдутся, причем разойдутся неизвестным заранее образом. Все это усложняет задачу, но не делает ее невозможной.

Именно эта задача изучалась в вышедшей недавно совместной публикации трех коллабораций: IceCube и двух коллективов, работающих на детекторах космических лучей сверхвысоких энергий, - Обсерватории имени Пьера Оже (Pierre Auger Observatory) и Обсрватории Telescope Array (TA). Это пока еще не полноценная статья, а лишь текстовая версия доклада на августовской конференции по космическим лучами ICRC-2015, и представленные там результаты пока что несут пометку «предварительные». Однако можно ожидать, что окончательные результаты не будут сильно от них отличаться.

Обсерватория имени Пьера Оже, расположенная в пустынных предгорьях Аргентины на территории в 3000 км², - установка-рекордсмен в задаче детектирования космических лучей сверхвысокой энергии. Немногим уступает ей детекторный комплекс TA в США, который при площади 700 км² является самым крупным в Северном полушарии детектором космических лучей сверхвысокой энергии. С учетом суточного вращения Земли, эти две установки позволяют полностью охватить все небо. Инструментальные характеристики у обоих детекторов близки. Обсерватория имени Пьера Оже восстанавливает направление прилета частицы с точностью лучше 1°, а энергию - с точностью 12% (и на это еще накладывается 14-процентная неопределенность в калибровке энергетической шкалы). У TA угловое разрешение составляет полтора градуса, а обе энергетические неопределенности - около 20%.

Для проверки корреляций между направлениями прихода нейтрино и космических лучей исследователи использовали две разные выборки нейтринных данных IceCube (плюс еще одна для контроля). Первая - это 39 широких каскадов с энергией выше 30 ТэВ. Такие каскады порождаются в основном электронными или тау-нейтрино. Из-за того что электромагнитный каскад (массовое рождение электрон-позитронных пар и фотонов) широкий, трудно определить, с какого именно направления прилетело породившее его нейтрино; погрешность тут достигает 15°. Вторая выборка - это «треки» с энергией выше 70 ТэВ, вызванные мюонными нейтрино, которые, провзаимодействовав внутри объема детектора, превратились в мюоны. Таких событий набралось 16. Траектория мюонов восстанавливается отлично, и это позволяет определить направление породившего его нейтрино с точностью 1°. Со стороны детекторов космических лучей использовалась статистика побольше. Она включала 231 событие с энергией выше 52 млн ТэВ, набранное обсерваторией имени Пьера Оже за 10 лет работы, и 87 событий с энергией выше 57 млн ТэВ, отловленных детектором TA за чуть меньший срок. На рис. 4 все эти события отмечены на небесной сфере.

В работе было выполнено два типа сравнений. В первом не делалось никаких предположений относительно того, насколько отклоняются космические лучи на пути от источника к Земле. Исследователи просто перебрали все относительно близкие, в пределах 30°, пары «нейтрино + частица космических лучей» и построили распределение числа таких пар в зависимости от угла. Конечно, многие пары могли оказаться близкими чисто случайно. По этой причине физики смотрели не на сами эти данные, а на их превышение над равномерным случайным распределением, полученным в численном моделировании, без каких-либо корреляций. Такой анализ был проведен отдельно для нейтринных каскадов и для треков.

Второй тип анализа - это наложение друг на друга многочисленных однотипных изображений для усиления контраста слабых общих эффектов. Предположив, что каждое нейтрино указывает на какой-то реальный источник, «стреляющий» также и космическими лучами, физики взяли все участки неба вокруг нейтринных событий и наложили их друг на друга так, чтобы все нейтринные направления совпали. В полученной картинке они проверяли, нет ли какого-то превышения данных по космическим лучам по сравнению со случайным распределением на углах отклонения 3, 6 и 9 градусов (то есть при разных предположениях о том, как двигались частицы в магнитном поле). Опять же, этот анализ был выполнен отдельно для треков и для каскадов.

Результаты этих поисков оказались очень любопытными. В обоих вариантах анализа треки не продемонстрировали ничего выдающегося: картина распределения вполне согласовывалась с тем, что ожидалось бы от чисто случайных распределений. А вот каскады дали заметное превышение - причем тоже в обоих видах анализа. В первом типе анализа оказалось, что в данных присутствует слишком много пар, разделенных угловой дистанцией в 15-25°. Локальное отличие наиболее велико на угле 22° и достигает 3,3 стандартных отклонений (рис. 5). Глобальная статистическая значимость поменьше и составляет примерно 2,5σ.

В анализе методом наложения тоже обнаружилось, что именно в каскадной статистике есть заметное превышение данных над случайным распределением. Наиболее сильным, более 3σ, оно оказалось при угле отклонения 6°. Поправка на анизотропию космических лучей, впрочем, тоже слегка уменьшает статистическую значимость отклонения. С учетом того, что направление каскадов имеет погрешность 15°, два числа, полученные разными методами, вполне сходятся друг с другом.

Предварительный вывод таков: распределение астрофизических нейтрино и космических лучей сверхвысокой энергии по небу не стыкуется с предположением об их полной независимости. Вероятность того, что чисто независимое распределение тех и других смогло бы дать такую картину, - меньше одной тысячной. Авторы, конечно, пока не делают прямого вывода о том, что обнаружено совпадение источников обоих типов частиц, но подчеркивают, что получен потенциально интересный результат.

Нейтрино из галактик со звездообразованием

Третья работа, тоже появившаяся в архиве совсем недавно, касается проверки одной гипотезы происхождения нейтрино высокой энергии, зарегистрированных IceCube. Существуют так называемые галактики с активным звездообразованием; к ним относят и Млечный Путь, и отдельный подкласс галактик со вспышкой звездообразования (starburst galaxies), таких как NGC 253 (рис. 1). Считается, что в этих галактиках имеется достаточно много ударных фронтов в межзвездной среде, на которых могли бы интенсивно рождаться и нейтрино. Таких галактик много, они создают своего рода фон, и, в отсутствие идентифицированных точечных источников высокоэнергетичных нейтрино, возникает желание списать данные IceCube на них.

Но достаточно ли много нейтрино они реально производят? Напрямую это измерить невозможно, поскольку мы не можем проследить за излучением каждой галактики, а также не знаем условия внутри них. Однако из этой, казалось бы, тупиковой ситуации есть элегантный выход, который тоже опирается на всесигнальный подход.

Мы уже упомянули выше, что нейтрино высоких энергий могут рождаться на ударных фронтах: протоны сталкиваются с ядрами, порождают заряженные пи-мезоны, а они при распаде дают нейтрино. Но с тем же успехом могут рождаться и нейтральные пи-мезоны - а они уже распадаются на два фотона. Поэтому ударный фронт должен порождать и нейтрино, и гамма-излучение, причем интенсивность и спектры обоих сигналов тесно связаны друг с другом. Отсюда следует вывод: если за нейтрино, пойманные IceCube, действительно ответственны такие галактики, то, значит, Вселенная должна быть заполнена гамма-фоном, распределенным изотропно, а не идущим только из точечных объектов.

Такой изотропный фон действительно существует. И хотя он в несколько раз слабее суммарного гамма-излучения от точечных источников, космический телескоп Fermi-LAT тщательно измерил его спектр во всем «ГэВном» диапазоне. Величина и спектр этого излучения как раз и позволяют оценить интенсивность рождения частиц на ударных фронтах в таких галактиках, а значит, и ожидаемые потоки астрофизических нейтрино.

На рис. 6 показан результат этого расчета. Красные точки - это данные Fermi-LAT по суммарному гамма-излучению в диапазоне энергий до 1 ТэВ. Примерно седьмая часть от этого потока идет от изотропного фона, поэтому красная кривая на этом графике проходит существенно ниже точек. Если на основании этой красной кривой предсказать поток нейтрино, то получится черная кривая (здесь, конечно, есть свои тонкости и неопределенности, но они для вывода не принципиальны). Видно, что черная кривая идет существенно ниже данных IceCube. Вывод отсюда простой: галактики со звездообразованием способны породить от силы 20-25% от того нейтринного потока, который видит IceCube. Таким образом, на одни только галактики астрофизические нейтрино не спишешь.

В этом, на первый взгляд, пессимистичном выводе есть и хорошая весть. Тот факт, что нейтринный фон от таких галактик невелик, повышает шансы увидеть в будущем точечные источники нейтрино - а ведь это куда интереснее. Если бы нейтрино удалось списать на фон, то шансы на такое наблюдение заметно бы снизились. Отрицательный результат сейчас подогревает надежду на более важное открытие в будущем.

Перспективы

Нейтринная астрофизика сейчас на взлете. Вселенная стала доступна наблюдению через высокоэнергетические нейтрино всего пару лет назад, но уже сейчас, несмотря на скромную статистику, идет поток публикаций с очень любопытными результатами, которые без нейтрино не получить. Это направление исследований представляет собой новую, давно ожидаемую, но только сейчас реализованную компоненту всесигнального подхода в астрофизике.

Пока что статистика астрофизических нейтрино высоких энергий очень невелика. Но, к счастью, ситуация будет быстро прогрессировать с каждым годом. Продолжает набор данных IceCube, а вскоре на помощь ему придут и другие нейтринные телескопы. ANTARES сейчас превращается в KM3NeT, тоже объемом в кубический километр, и он начнет поставлять сопоставимый объем данных по нейтрино сверхвысоких энергий. В озере Байкал с прошлого года работает и постепенно разрастается чисто российский пока нейтринный телескоп Baikal-GVD (GVD = Gigaton Volume Detector), который, благодаря отменным оптическим характеристикам озерной воды, уже скоро будет способен потягаться с IceCube. Ну и сам IceCube будет расширяться - места в антарктическом ледниковом щите более чем достаточно. Физики сейчас нацелились уже на объем в 10 кубических километров, но, правда, такой проект потребует значительного времени для реализации. Так или иначе, но, возможно, первые громкие открытия в нейтринной астрофизике последуют уже через несколько лет.

Источники:

1) ANTARES Coll., IceCube Coll. First combined search for neutrino point-sources in the Southern Hemisphere with the ANTARES and IceCube neutrino telescopes // е-принт arXiv:1511.02149 [hep-ex].

2) IceCube, PIerre Auger Observatory, and Telescope Array Collaborations. The IceCube Neutrino Observatory, the Pierre Auger Observatory and the Telescope Array: Joint Contribution to the 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC 2015) // е-принт arXiv:1511.02109 [astro-ph.HE].

3) Evidence against star-forming galaxies as the dominant source of IceCube neutrinos // е-принт arXiv:1511.00688 [astro-ph.HE]; краткий пересказ: Star-forming galaxies are not the main source of IceCube neutrinos.

Игорь Иванов

Источники:

1. elementy.ru