Новое исследование утверждает, что ранние галактики могли посылать нам нейтрино

Фото из открытых источников

Вскоре после начала работы космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) он направил свою сложную инфракрасную оптику в раннюю Вселенную. Там он обнаружил множество небольших красных объектов, которые оказались галактиками с высоким красным смещением, существовавшими в период от 0,6 до 1,6 миллиарда лет после Большого взрыва. На основе этих наблюдений исследователи выдвинули теорию, что некоторые из этих объектов, получившие прозвище «Маленькие красные точки», имели в своих центрах растущие сверхмассивные черные дыры (СМЧД), что делает их ранними квазарами.

Они также выдвигают теорию о том, что эти сверхмассивные черные дыры заключены в газовые оболочки, из которых они образовались непосредственно после коллапса массивных газовых облаков с образованием массивных черных дыр (также известных как черные дыры прямого коллапса). Согласно новому исследованию международной группы ученых, такая среда была бы благоприятна для образования высокоэнергетических нейтрино. Если это верно, то эти нейтрино можно было бы обнаружить сегодня после их путешествия, длившегося около 13 миллиардов лет, чтобы встретиться с нами.

Исследование возглавил Рику Кузе из Центра гравитационной физики и квантовой информации Института теоретической физики им. Юкавы (YITP). К нему и его коллегам присоединились исследователи из Центра мультимессенджерной астрофизики Университета штата Пенсильвания, Института междисциплинарных исследований при Университете Тохоку и Института астрономии и астрофизики им. Кавли при Пекинском университете (KIAA-PKU).

Нейтрино, представляющие собой электрически нейтральные элементарные частицы, образуются при столкновении высокоэнергетических частиц, таких как протоны, с окружающими фотонами или веществом. Эти частицы могут покинуть окружающую среду, если образуются внутри плотной газовой оболочки, например, такой, в которой, как считается, находились ранние сверхмассивные черные дыры. Ученые обнаружили высокоэнергетические нейтрино на Земле, но происхождение их энергетического фона, охватывающего все небо, остается загадкой.

Однако те же источники, которые производят высокоэнергетические нейтрино, также производят гамма-лучи, но не всегда; в противном случае гамма-фоновое излучение было бы значительно сильнее. Это говорит о том, что источником фонового излучения нейтрино должны быть скрытые объекты, из которых гамма-лучи не могут легко вырваться. Команда предположила, что источником могут быть LRD (латеральные радиационные диски), основываясь на определенных особенностях, наблюдаемых астрономами, включая их наблюдаемую плотность и светимость.

Таким образом, перспективными кандидатами в источники этих нейтрино должны быть скрытые объекты, из которых гамма-лучи не могут легко вырваться наружу. Кроме того, известно, что LRD не испускают много излучения, связанного с джетами или выбросами, которые, как известно, происходят с SMBH. Исходя из этого, команда разработала сценарий, в котором джеты, исходящие от черных дыр, скрыты внутри тех же плотных газовых оболочек.

Для проверки своей гипотезы команда использовала светимость и плотность числа LRD-детекторов, чтобы оценить их вклад в нейтринный фон всего неба. Затем они провели численные расчеты для оценки нейтринного спектра, создаваемого LRD-детекторами, на основе ускорения частиц, образования вторичных частиц и процессов их охлаждения. Результаты показали, что если ускорение частиц может происходить в скрытых средах, LRD-детекторы могут производить высокоэнергетические нейтрино, подавляя при этом гамма-излучение.

Вкратце, результаты показывают, что LRD могут вносить вклад в высокоэнергетическое нейтрино, составляющее видимый с Земли фон всего неба. Следующим шагом будет оценка соотношения различных «ароматизаторов» нейтрино и исследование условий, при которых струи скрывались внутри газовых оболочек. Как пояснил Кузе в пресс-релизе Киотского университета: «В рассмотренном нами сценарии ожидается наличие большого количества фотонов и плотного газа вокруг центральной черной дыры в Малой Красной Точке, что может позволить таким столкновениям происходить эффективно. Хотя наблюдать отдельные объекты напрямую сложно, мы считаем это исследование важным, поскольку оно впервые демонстрирует, что, учитывая их обилие, эти маленькие красные галактики могут объяснить часть наблюдаемых высокоэнергетических нейтрино».