На прошедшем европейском симпозиуме, посвященным космическим лучам и нейтрино в современную эпоху многоканальных наблюдений, выступил сотрудник ФТИ им. А. Ф. Иоффе и выпускник #СПбПУ Алексей Петров. Доклад Алексея был посвящен предполагаемому вкладу галактических звездных систем в поток астрофизических нейтрино.
#Нейтрино – это легчайшие частицы, практически не взаимодействующие с веществом. Сечение их взаимодействия с ним столь мало (а обратная величина – длина свободного пробега – напротив, столь велика), что нейтрино могут свободно пролететь сквозь толщу земных пород, проскочить оболочки массивной звезды во время вспышки сверхновой и даже плотнейшее вещество нейтронных звезд, эффективно унося с собой энергию, способствуя, в частности, гравитационному коллапсу массивных звезд и остыванию нейтронных звезд в ходе урка-процесса. Высокоэнергичные нейтрино могут «указать» нам напрямую на источники мощнейшего энерговыделения и наиболее эффективные ускорители частиц во Вселенной и прояснить их физические механизмы.
Из-за очень слабого взаимодействия с веществом нейтрино очень трудно детектировать. Для этой цели используют гигантские установки в виде сетей фотоумножителей, вмороженных в антарктический лед (#IceCube на Южном полюсе) или погруженных в воду Средиземного моря (ANTARES) или озера #Байкал (российский Baikal-GVD). Объем льда или воды, охватываемый сетями этих нейтринных телескопов, составляет порядка кубического километра. Фотоумножители, находясь во тьме глубин чистой воды (чистого льда), способны детектировать черенковское излучение мюонов, рождаемых при редких взаимодействиях нейтрино с молекулами воды, определяя по свойствам «треков» — последовательностей срабатывания детекторов – примерную энергию и направление прилета исходного нейтрино.
Анализ данных нейтринных телескопов позволил ученым выделить среди множества регистраций нейтрино те «нейтринные события», которые связаны с «астрофизическими» источниками – то есть, эти нейтрино не порождены на Земле, не произведены во взаимодействии энергичных частиц космических лучей с атмосферой Земли и не прилетели к нам из недр Солнца. Надежно установить конкретные источники «астрофизических нейтрино» достаточно сложно ввиду редкости регистрируемых событий. Вероятным кандидатом в источники нейтрино с энергиями выше тераэлектронвольта (1 ТэВ= 1.6 эрг = 1.6x10(-7) Дж) являются активные #ядра галактик, включая блазары. В 2017 году впервые удалось отождествить источник нейтрино сверхвысокой энергии – мюонное нейтрино энергии 290 ТэВ было произведено блазаром TXS 0506+056.
Данные об астрофизических нейтрино указывают, что до 15% их потока может иметь галактическое происхождение. Галактические двойные звездные системы, состоящие из массивной звезды раннего спектрального класса и компактного объекта – нейтронной звезды или черной дыры – предлагались как источники ТэВных нейтрино еще до появления современных обсерваторий. Алексей в своем докладе рассказал о работах, предлагавших механизмы производства существенных потоков энергичных нейтрино двойными системами разных типов.
Тесные двойные системы, в которых вещество массивного компаньона перетекает на компактный объект, формируя аккреционный диск и перпендикулярные к этому диску джеты, называют микроквазарами. Эти объекты похожи на #квазары (активные ядра галактик), но имеют на порядки меньшие размеры, массы и светимости. В их джетах могут формироваться ударные волны, где протоны аккрецированного вещества могут ускоряться до петаэлектронвольтных энергий (1 ПэВ = 1000 ТэВ). Левинсон и Ваксман в 2001 году показали, что взаимодействие этих протонов с рентгеновскими фотонами теплового излучения диска или синхротронного излучения ускоренных электронов может порождать заряженные и нейтральные пи-мезоны. Распад пи-мезонов, в свою очередь, порождает лептоны и нейтрино (в случае заряженных) и гамма-фотоны (в случае нейтральных). Этот фотомезонный механизм рождения энергичных нейтрино и гамма-квантов – пороговый: он запускается, если протон разогнан до 300 ТэВ для рентгеновских (с энергией порядка 1 кэВ) фотонов-мишеней, и до 20 ПэВ – для ультрафиолетовых (порядка 5 эВ).
В более разреженных двойных системах, содержащих #пульсар, нет аккреции, но есть столкновение двух мощных потоков вещества звезд – ветра массивной звезды и релятивистского ветра пульсара. Эти очень разные по скорости и составу сверхзвуковые потоки плазмы, несущие с собой магнитное поле, сталкиваясь, образуют сложную картину течений с ударными волнами, на которых возможно эффективное #ускорение частиц. Неронов и Риборди в 2009 году рассмотрели характерную «гамма-излучающую двойную систему», судя по спектрам, содержащую пульсар, и предъявили механизм генерации нейтринного потока, одновременно способный объяснить ее электромагнитный спектр. Протоны, ускоренные вблизи компактного объекта до ПэВных энергий, в их модели рождают пи-мезоны в адронном взаимодействии с ионами ветра массивной звезды, которые, распадаясь, производят нейтрино, энергичные гамма-кванты и лептоны (излучение которых объясняет электромагнитный спектр на более низких энергиях).
Во всех моделях энергичные нейтрино рождаются вместе с энергичными гамма-квантами в ходе распада пи-мезонов сравнимой энергии. Однако, Неронов и Риборди заметили: нельзя оценить ожидаемый поток и спектральное распределение ТэВных нейтрино по наблюдаемому черенковскими телескопами спектру ТэВных гамма-лучей. Гамма-кванты в таких двойных системах подвержены поглощению из-за рождения электрон-позитронных пар при взаимодействии с фотонами излучения массивной звезды.
Однако, как подчеркнул в своем докладе Алексей, на больших энергиях около 1 ПэВ и выше ситуация принципиально отличается. Столь энергичные кванты свободно покинут пределы двойных систем, если они способны их породить. Зато помехой их распространению в космическом пространстве служат фотоны реликтового излучения – тот же процесс рождения электрон-позитронных пар не даст ПэВным фотонам улететь дальше, чем на 10 килопарсек от источника. Это значит, что их источниками могут быть только объекты из нашей Галактики.
В 2020 году состоялось одновременное детектирование обсерваторией IceCube нейтрино энергией 150 ТэВ и обсерваторией Carpet-2 – очень мощной вспышки гамма-лучей энергии выше 300 ТэВ из одной и той же области в #созвездии Лебедя. Оцениваемая мощность вспышки нейтрино, соответствующей этому событию, сопоставима с мощностью гамма-вспышки. Если эти события действительно не случайно совпали, то их источником может быть галактическая двойная звездная система в созвездии Лебедя – и одним из кандидатов является пульсар PSR J2032+4127, составляющий с массивной звездой типа Be двойную систему. Звезды типа Be примечательны значительной анизотропией их ветра: очень быстро вращаясь, они образуют в своей экваториальной плоскости плотный декреционный диск выброшенного вещества.
Алексей в своем докладе рассказал о своем моделировании излучения этой системы, о котором мы уже писали подробнее. Эта модель объясняет мощную вспышку результатом быстрого ускорения протонов звездного ветра по механизму Ферми I рода в сталкивающихся течениях при входе пульсара в экваториальный диск Be звезды. Напомним, этот механизм позволяет конвертировать значительную часть энерговыделения ускорителя в энергию частиц самых высоких энергий, что и позволяет объяснить высокую мощность вспышки. Протоны в ускорении достигают энергии 20 ПэВ и за счет фотомезонного процесса быстро теряют набранную энергию в излучении гамма-фотонов и нейтрино энергии около ПэВа. Моделирование ускорения частиц и их излучения показало, что расчетные потоки гамма-фотонов и нейтрино позволяют объяснить интенсивность наблюдаемой вспышки. Таким образом, согласно модели, двойные звездные системы со сталкивающимися ветрами могут производить значительные потоки нейтрино энергий выше сотен ТэВ, и их производство может иметь вспышечный характер. Однако, надежное отождествление нейтринных событий, регистрируемых современными обсерваториями, с галактическими двойными системами, по-видимому, требует наращивания статистики наблюдений.
