Нейтрино помогут определить причину образования областей высокоэнергетичного гамма-излучения в Галактике

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».

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).
«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.).
Обработанная карта наблюденний «Ферми», на которой явно выделяются области высокоэнергетичного гамма-излучения (иллюстрация НАСА / DOE / Fermi LAT / D. Finkbeiner et al.).

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. Таким образом, правильный выбор механизма образования гигантской «восьмёрки» позволяет 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+ + νμνμ + 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, они выяснили, что эта задача реальна: 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.

27 Апреля 2012, 19:22    Den    4570    0

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.