Нейтрино — частинки, які майже не взаємодіють з речовиною і тому долітають до Землі навіть із найгустіших і найгарячіших областей Всесвіту. Саме ця властивість робить їх ідеальним інструментом для зазирання туди, куди не проникає світло: у самісіньке серце активних галактичних ядер, де надмасивні чорні діри поглинають навколишній газ.

У 2022 році обсерваторія IceCube на Південному полюсі вперше зафіксувала статистично значущий потік високоенергетичних нейтрино від конкретного джерела за межами нашої Галактики — NGC 1068, Сейфертової галактики на відстані близько 47 мільйонів світлових років. Нова робота колаборації перевіряє, чи це відкриття було випадковістю, чи проявом закономірності, характерної для цілого класу об'єктів.

Чому Південна півкуля залишалася сліпою зоною

IceCube — детектор, вбудований у товщу антарктичного льоду. Він реєструє нейтрино не напряму, а за спалахами світла (черенковським випромінюванням), які виникають, коли нейтрино зрідка все ж стикається з атомом льоду.

Проблема в тому, що детектор набагато чутливіший до джерел у Північній півкулі неба. Нейтрино звідти проходять крізь товщу всієї Землі, яка відфільтровує майже всі частинки, крім нейтрино, — і детектор бачить чисту подію.

Для Південної півкулі такого природного фільтра немає. Детектор буквально захлинається фоном атмосферних нейтрино і мюонів, народжених просто над кригою внаслідок зіткнень космічних променів з атмосферою. А саме в цій частині неба, за словами дослідників, розташована більшість найяскравіших і найближчих Сейфертових галактик.

Метод ESTES проти атмосферного шуму

Розв'язати цю проблему дозволив новий метод відбору подій — ESTES (enhanced starting track event selection, «покращений відбір треків, що починаються всередині детектора»).

Ідея методу — залишати для аналізу лише ті нейтринні події, які починаються безпосередньо всередині льодового масиву детектора. Це дає змогу відсіяти значну частину атмосферного фону, який зазвичай приходить ззовні під характерними кутами.

Використовуючи ESTES, команда обробила 10 років накопичених даних IceCube і відібрала 14 рентгенояскравих Сейфертових галактик із каталогу Swift BAT (огляд активних ядер за допомогою телескопа Burst Alert). Дослідники провели два паралельні аналізи: пошук сигналу від кожного джерела окремо та пошук сукупного сигналу від усієї вибірки одразу.

13 галактик і сигнал на рівні 3.0σ

Результат виявився позитивним для обох підходів. Колективний нейтринний сигнал від 13 із 14 джерел перевищив очікуваний фон із значущістю 3.0σ — це рівень, який ще не є відкриттям у строгому сенсі (для цього потрібні 5σ), але достатньо переконливий, щоб говорити про свідчення (evidence).

Найбільший внесок у сумарний сигнал, як і очікувалося, дає NGC 1068. Але помітний, хоч і слабший, внесок фіксується і від інших галактик вибірки.

Це узгоджується з теоретичною моделлю, яка передбачає: чим яскравіше рентгенівське випромінювання ядра AGN, тим інтенсивніший потік нейтрино має з нього виходити. Рентгенівські промені й нейтрино народжуються в одній і тій самій щільній, непрозорій для видимого світла області навколо чорної діри — тому їхня яскравість має корелювати.

Ми виявили свідчення колективного нейтринного сигналу від відібраних рентгенояскравих Сейфертових галактик з перевищенням фону на рівні значущості 3.0σ. Цей результат отримано завдяки новим методам відбору подій, які ефективно придушили значний фон у бік Південної півкулі.Qinrui Liu, колишня постдок-дослідниця, Queen's University

Дослідники також підкреслюють методологічний прогрес: у роботі вперше застосована так звана стекінг-модель, у якій вага кожного джерела в сумарному аналізі визначається безпосередньо з теоретичної моделі, а не задається довільно. Це робить весь підхід фізично обґрунтованішим.

Що далі — від 3σ до підтвердженого відкриття

Отримані результати доповнюють попередні дані IceCube щодо Північної півкулі і зміцнюють загальну картину: рентгенояскраві активні ядра галактик — реальні джерела космічних нейтрино, а не виняток в особі однієї NGC 1068.

Щоб перетворити свідчення рівня 3.0σ на статистично надійне відкриття, потрібна більша чутливість детектора. Саме на це розрахований проєкт IceCube-Gen2 — розширена версія обсерваторії, яка суттєво збільшить об'єм льоду, що прослуховується на нейтринні спалахи.

Окремий напрямок для майбутніх досліджень — так звані каскадні події (cascade events), інший тип нейтринних сигналів, зафіксованих IceCube за понад десятиліття спостережень, які поки не були залучені до аналізу Південної півкулі. За словами дослідників, їх розгляд може дати додаткову інформацію про фізичні умови поблизу надмасивних чорних дір.