Нейтрино помогут определить причину образования гигантских областей высокоэнергетичного гамма-излучения в Галактике
Американские физики показали, что наблюдения на нейтринных телескопах позволяют выбрать наиболее подходящий из предложенных теоретиками механизмов возникновения огромных «пузырей» гамма-излучения, которые располагаются вблизи галактического центра симметрично относительно плоскости Млечного Пути.
Двое физиков из Университета штата Аризона и Университета Джорджа Мейсона (оба — США) показали, что регистрация космических нейтрино даёт возможность выбрать наиболее подходящий из предложенных теоретиками механизмов возникновения огромных областей высокоэнергетичного гамма-излучения, обнаруженных космическим телескопом «Ферми».
Эти области, выделяющиеся в диапазоне энергий 1–100 ГэВ, имеют довольно чёткие границы и располагаются вблизи галактического центра симметрично относительно плоскости Млечного Пути. Вся структура имеет вид цифры 8, а общий её размер оценивается в 50 000 световых лет.
Интересно, что граничные участки «восьмёрки» также прослеживаются при анализе наблюдений, выполненных космической обсерваторией ROSAT в рентгеновском диапазоне на энергии в 1,5 кэВ. Кроме того, по форме и размерам найденные области отчасти совпадают с выявленными ранее «аномалиями» в данных аппарата WMAP, исследовавшего микроволновое фоновое излучение.
«Восьмёрка» гамма-излучения в Млечном Пути (иллюстрация Goddard Space Flight Center).
Обработанная карта наблюденний «Ферми», на которой явно выделяются области высокоэнергетичного гамма-излучения (иллюстрация НАСА / DOE / Fermi LAT / D. Finkbeiner et al.).
О теориях, которые дают удовлетворительное объяснение открытию «Ферми», «КЛ» уже писала. Если не рассматривать предложения, выходящие за рамки Стандартной модели физики частиц, теоретических схем останется всего две. Первая, лептонная, предполагает, что высокоэнергетичное гамма-излучение зарождается при обратном комптоновском рассеянии микроволновых, ультрафиолетовых или оптических фотонов на релятивистских электронах. Появление последних связывают с активностью Стрельца A* — чёрной дыры в центре Млечного Пути.
Во второй модели, которую обычно называют адронной, высокоэнергетичные гамма-кванты появляются в результате протон-протонных столкновений, приводящих к образованию нейтральных пи-мезонов, распадающихся на пары фотонов. При этом источниками ускоренных частиц, участвующих в таких столкновениях, считаются расположенные вблизи галактического центра остатки сверхновых.
Для теоретиков важно, что две описанные схемы дают совершенно разные оценки возраста гамма-областей: лептонная склоняется к нескольким миллионам лет, а адронная — к нескольким миллиардам. Правильный выбор механизма образования гигантской «восьмёрки», таким образом, даёт возможность заглянуть в историю развития Млечного Пути, проследить за активностью Стрельца A* и звездообразованием в Галактике.
С точки зрения экспериментаторов, адронная модель отличается от лептонной тем, что выработка фотонов в ней сопровождается появлением высокоэнергетичных (~1–10 ТэВ) нейтрино. Причина этого проста: в протон-протонных столкновениях рождаются не только нейтральные, но и заряженные пи-мезоны, которые затем распадаются (к примеру, по цепочке π+ → μ+ + νμ → νμ + е+ + νе + νμ) с образованием электронных νе и мюонных νμ нейтрино.
Американские учёные обратили внимание на такое различие между двумя моделями и попытались оценить перспективы регистрации высокоэнергетичных нейтрино, поток которых должен повторять контуры «восьмёрки» гамма-излучения, на Земле. Проведя несложные расчёты, авторы выяснили, что эта задача реальна, и на очень больших энергиях (более ~20–50 ТэВ) сигнал от гипотетических нейтрино, образующихся в протон-протонных столкновениях, должен превышать фон и обнаруживаться при длительных наблюдениях на крупном современном нейтринном телескопе. К сожалению, антарктическая нейтринная обсерватория IceCube, строительство которой было завершено ещё в 2010-м, расположена геометрически невыгодно относительно галактического центра, и физикам придётся ждать того момента, когда в Северном полушарии, на дне Средиземного моря, заработает обсерватория KM3NeT.
Подготовлено по материалам arXiv-препринта.
источник: science.compulenta.ru
