У вересні 2021 року детектор IceCube в Антарктиді зафіксував високоенергетичне нейтрино з напрямку сузір'я Ерідан — подію, названу IC 210922A. Нейтрино не мають електричного заряду, майже позбавлені маси і практично не взаємодіють з речовиною, тому простежити шлях конкретної частинки до її джерела — одне з найскладніших завдань сучасної астрономії.
Сигнал тривоги від IceCube миттєво розіслали десяткам обсерваторій по всьому світу. Пошуки гамма-спалахів, рентгенівських джерел чи вибухів наднових у відповідній ділянці неба нічого не дали. Лише за кілька днів команда під керівництвом Юдзі Урати з тайванської компанії MITOS Science натрапила на слід — надзвичайно яскраву далеку галактику, яку назвали «Shadow Blaster».
Пошук джерела після сигналу IC 210922A
Кілька незалежних груп астрономів шукали видиме, рентгенівське чи гамма-джерело в тій ділянці неба, звідки прилетіло нейтрино. Жодна з них не знайшла переконливого кандидата — ні гамма-спалаху, ні наднової, ні події припливного руйнування зірки чорною дірою.
Через два дні після оповіщення команда Урати почала спостереження на телескопах JCMT та SMA на Гаваях. Так була знайдена галактика JCMT0402−0424, більш відома під прізвиськом Shadow Blaster. Її розташування на небі та надзвичайна яскравість зробили її головним кандидатом на роль джерела.
Гравітаційна лінза розкриває структуру Shadow Blaster
Подальші спостереження на радіотелескопі ALMA показали: Shadow Blaster ховається за потужною гравітаційною лінзою. Масивна еліптична галактика на передньому плані викривляє простір-час і підсилює світло далекого об'єкта.
Щоб коректно врахувати ефект лінзування, дослідники мали спершу з'ясувати відстань і масу галактики-лінзи. Для цього використали два прилади на телескопі Gemini North — спектрографи GMOS і GNIRS. Отримані дані дозволили побудувати модель лінзи та оцінити, наскільки саме вона підсилила сигнал.
Завдяки цьому підсиленню галактику, що інакше була б занадто тьмяною й далекою для деталізованого вивчення, вдалося розгледіти зблизька. Shadow Blaster знаходиться на відстані близько 11 мільярдів світлових років. Лінза підняла її видиму інфрачервону світність із 2,7 до 33 трильйонів сонячних.
Зореутворення замість чорної діри
Поєднавши модель лінзи із знімками ALMA, команда виявила в центрі галактики надщільне ядро — область, туго набиту газом і пилом, де з великою інтенсивністю народжуються нові зорі.
Теоретичні моделі давно передбачали: таке екстремальне середовище може працювати як природний прискорювач частинок. Енергійні частинки багаторазово зіштовхуються з газом, і в результаті народжуються нейтрино. При цьому в Shadow Blaster не виявили жодних ознак активної чорної діри — раніше саме джети навколо чорних дір вважали основним джерелом високоенергетичних нейтрино.
Ця знахідка показує, наскільки більш ефективними стають детектори частинок і телескопи, коли працюють разом, відкриваючи потужне мультимесенджерне вікно у ВсесвітМартін Стілл, програмний директор NSF Office of Research Infrastructure
Якщо припущення підтвердиться, Shadow Blaster стане першою окремою пиловою зореутворювальною галактикою, безпосередньо пов'язаною з подією високоенергетичного нейтрино.
Що дає ще одна частка головоломки
Близько 10 мільярдів років тому Всесвіт був населений галактиками на кшталт Shadow Blaster, які активно формували зорі й теоретично генерували величезну кількість космічних променів — потоків частинок, здатних породжувати нейтрино.
Довести зв'язок конкретної нейтринної події з такою далекою галактикою було вкрай складно: подібні об'єкти зазвичай надто далекі й приховані щільними шарами пилу. Випадкове розташування Shadow Blaster за гравітаційною лінзою значно полегшило пошук доказів.
Компактні зореутворювальні галактики цього типу можуть бути поширеним явищем у Всесвіті. За оцінками команди Урати, така популяція галактик здатна забезпечувати до 20% усього дифузного нейтринного фону, який фіксує IceCube.
