Памяти нашего коллеги Юрия Павловича Сергиенко
Русский
телескоп-робот МАСТЕР в Крыму сделал
новое важное открытие.
Optical Observations Reveal Strong Evidence
for High Energy Neutrino progenitor
Physicists are investigating the properties of matter at ultrahigh energies, thousands of times greater than the capabilities of the Large Hadron Collider. “Free” accelerators are located in the Universe and astronomers can’t do without them. Different countries that built monster-like machines in ice (IceCube), under water (ANTARES, Baykal Neutrino Observatory), and in deep tunnels (Baksan Neutrino Observatory) have been detecting ultrahigh-energy neutrinos for the past 10 years. It is still not possible to understand where cosmic neutrinos of superhigh energies come from and astronomical robots have joined in solving this problem. Here we show that the source of ultrahigh-energy neutrinos is supermassive black holes - blazars - in at least one case. A few years ago, the MASTER Global Network of Robot Telescopes came to the rescue, which within a minute is capable of pointing to anywhere in the sky according to the signal of neutrino detectors. After 2 years among the myriad objects in the sky, she caught one of the culprits of this huge scientific problem. In this work, the earliest astronomical observation of a high energy neutrino error box in which its variability was discovered after ultrahigh-energy neutrinos detection. The Crimean robotic telescope of the MASTER1 global international network automatically imaged the error box of the very high-energy neutrino event IceCube-170922A2. Observations were carried out 27 seconds after receiving the alert, i.e., 73 seconds after the IceCube-170922A neutrino event was detected by the IceCube installation at the South Pole3. Robot found the blazar TXS 0506+0565 to be in the off-state after one minute and then switched to the on-state no later than two hours after the event. The effect is observed at a 50-sigma significance level.
Пресс-конференция Глобальной сети МАСТЕР.
В XXI веке физики пытаются исследовать свойства материи при сверхвысоких энергиях в десятки, сотни и тысячи раз превышающие возможности Большого Адронного Коллайдера. "Бесплатные" ускорители находятся во Вселенной. Однако из всех частиц серхвысоких энергий по Вселенной могут путешествовать только нейтрино, а ловить их по той же причине оказалось очень не просто.
Поэтому передовые страны и их объединения построили монструозные, по своим размерам, нейтринные "телескопы" в антарктическом льду (проект IceCube - кубокилометр льда на Южном Полюсе Земли, США), в горных туннелях - Баксанская Нейтринная Обсерватория (Россия), глубоко под водой (французская установка ANТARES у дна Средиземного моря, Байкальская Нейтринная Обсерватория в самом чистом и глубоком озере мира). И такие нейтрино были найдены, а вот где и как они рождаются - до сих пор оставалось загадкой.
12 июля 2018 года состоялась пресс-конференция Американского Научного Фонда, посвященная открытию источника космических нейтрино сверхвысоких энергий. Презентация сопровождалась публикацией в журнале Science оригинальной статьи большого коллектива авторов, в которой были высказаны аргументы в поддержку того, что нейтрино зафиксированное 22 сентября 2017 года установкой IceCube возникло в блазаре TXS 0506+056, который был найден в кавадрате ошибок нейтринного детектора. К сожалению представленные аргументы представляли собой совокупность правдоподобных, но статистически не обоснованных, экспериментальльных фактов, решающий из которых был получен телескопом-роботом МАСТЕР-Таврида и представлен в настоящем пресс-релизе, который появится по окончании пресс-конференции.
Вставка! Появилась 6 июня 2020
Видео пресс-конференции здесь с видео вставками
и на Ютуб.
Презентация здесь качайте и ничего не ломайте.
Русский
телескоп-робот МАСТЕР в Крыму сделал
новое важное открытие
Optical Observations Reveal Strong Evidence for High Energy Neutrino
Progenitor
Official Realize MASTER Global Robotic
Net
12 июля 2018
года состоялась пресс-конференция
Американского Научного Фонда, посвященная
открытию источника космических нейтрино сверхвысоких энергий. Презентация сопровождалась публикацией в
журнале Science оригинальной
статьи большого коллектива авторов, в которой были высказаны аргументы в поддержку
того, что нейтрино зафиксированное 22 сентября 2017 года установкой IceCube возникло в блазаре TXS 0506+056, который был найден в кавадрате ошибок нейтринного детектора. К сожалению
представленные аргументы представляли собой совокупность правдоподобных, но статистически не обоснованных, экспериментальльных фактов, решающий из которых был получен
телескопом-роботом МАСТЕР-Таврида и представлен в настоящем пресс-релизе.
MASTER-Tavrida - так называется на
Западе один из телескопов Глобальной роботизированной сети МАСТЕР расположенный на Крымской станции МГУ.
22
сентября 2017 года один из телескопов-роботов
Глобальной сети МАСТЕР, расположенный в Крыму автоматически произвёл
съёмку квадрата ошибок нейтрино
сверхвысокой энергии IceCube-170922A. Наблюдения были проведены через
27 секунд после получения алерта и через 73 секунды
после детектирования нейтрино установкой IceCube на Южном Полюсе. Однако неожиданные подробности этих
наблюдений публикуются только сейчас. Эти наблюдения оказались самыми ранними астрономическими наблюдениями после регистрации нейтрино. Буквально через минуту после детектирования
нейтрино, мы застали сверхмассивную чёрную дыру TXS
0506+056 в необычном притушенном состоянии из которого он вышел
через 2 часа.
Являясь лидером
ранних наблюдений гамма-всплесков сеть МАСТЕР имеет
почти 20-летний опыт реал тайм
наблюдений минутных (first
minute
pointing
on
GRB
alerts)
событий на небе. Начиная с 2015 года
глобальная сеть МАСТЕР активно участвует
в программе быстрой оптической поддержки крупных физических и астрофизических
экспериментов таких как регистрация нейтрино сверхвысоких энергий (AТNTARES, IceCube, Baksan),
гравитационых волн (LIGO/VIRGO collaboration), а так же Fast Radio Bursts (FRB). Благодаря удачному распределению
сайтов МАСТЕРа ему удалось инспектировать все
гравитационно-волновые поля ошибок. При этом МАСТЕР внёс решающий вклад в
оптическую инспекцию первого гравитационно-волнового события GW 150914, осмотрев большую часть
вероятной области ошибок. А 17 августа 2017 года МАСТЕР в числе 6-ти телескопов
осуществил первую в истории локализацию
гравитационных волн получив ранние снимки килоновой
события GW
170817.
Именно
успех в обнаружении килоновой на месте столкновения нейтронных звезд 17
августа 2017 года заставил сосредоточится команду МАСТЕРа
на анализе этого важнейшего события вплоть до
конца 2017 года. Поэтому мы пропустили событие IceCube-170922.
Но наши телескопы-роботы сделали всё сами. Ведь
уже с июня 2015 года мы начали быструю инспекцию нейтринных квадраты
ошибок в автоматическом режиме.
Только что мы
получили подтверждение о приёме к публикации в одном из лучших мировых
астрофизических журналов Astrophysical Journal Letters нового, как мы
надеемся, важнейшего результата.
Рисунок 1. Телескоп-робот
МАСТЕР-Таврида. Изготовлен для МГУ им.М.В.Ломоносова
Московским Объединением "Оптика".
|
В 2015 г. наконец
нейтринные детекторы научились давать информацию в течении первой минуты после
обнаружения, автоматически. Вот тогда на
помощь физикам пришла Глобальная сеть
телескопов-роботов МАСТЕР, которая в течении минуты способна наводиться
в любую точку неба по сигналу нейтринных детекторов и буквально через 2 года
среди мириад объектов на небе уличила одного из виновников этой огромной
научной проблемы. <P>
Крымский телеcкоп МАСТЕР, установленный по программе
развития МГУ в 2016 г., получил прямые
указания, что источником частиц сверхвысоких энергий является сверхмассивная
черная дыра Блазар - гигантский
космический ускоритель который нацелен точно на нас.
Источник нейтрино
сверхвысоких энергий до сих пор остаётся одной самых волнующих загадок
Вселенной. Именно с целю обнаружения источников VHE-neutrino были построены
уникальные установки на Южном Полюсе мира (IceCube)5, в
Средиземном Море (ANTARES)
6, на самом глубоководном озере
Байкал7 и под горным хребтом Кавказа (БНО) 8. В отличие
от космических лучей сверхвысоких энергий, электрически-нейтральное нейтрино
свободно распространяется по Вселенной не отклоняясь в межгалактическом
магнитом поле и не ослабевая при взаимодействии реликтовым космическим
излучением (backgound
emission)5. Таким образом траектории
нейтрино указывает направление на его источник.
К сожалению рассеяние света во льду или в воде, которые являются рабочим
телом детекторов нейтрино, приводит к
размытию квадрата-ошибок. Так что сейчас он обычно
составляет величину сравнимую с квадратным градусом. Таких квадратных градусов
во всем небе ~40 000. Каждый астрофизик знает, что во Вселенной ~10 млрд крупных галактик. Таким образом квадратном градусе
Вселенной расположены пару миллионов
галактик. 1% галактик - это активные ядра - квазары. Большинство из них
излучают половину энергии в узком релятивистском джете
покрывающем 0.1% их неба. И даже если
считать только сверхмощные активные галактические ядра, стреляющие точно в
Землю - блазары - то и их в каждом таком эррор боксе будет в среднем пару штук. Поэтому просто
обнаружение Блазара в эррор
боксе VHE-neutrino не
является доказательством того, что именно
блазары являются источником их
происхождения. Доказательством явилось
бы какое-то нестандартное явление на предполагаемом источнике близкое по времени с нейтринным
событием.
Рисунок 2. Взаимодействие
глобальной сети МАСТЕР0 с нейтринной Установкой IceCube
22 (США) сентября 2017 года. Первым
попытался навестись телескоп-робот МАСТЕР-Благовещенск (Россия) но не было
погоды, вторым телескоп MASTER-Kislovodsk
(Russia), МАСТЕР-Таврида
(Россия), позже подключились к инспекции телескопы в MASTER-OAFA (Южная Африка), MASTER-IAC (Tenerife, Spain) и MASTER-OAFA
(Argentina).
|
Вот, например, если бы блазар показал резкое изменение блеска вблизи момента
регистрации нейтрино и при этом
являлся источником гамма-излучения, а
еще и космических лучей, это было бы уже
реальным свидетельством правильноности
отождествления с известным
астрофизическим объектом.
Первым кандидатом в такие объекты оказался Блазар TXS 0506+056
который попал в квадрат ошибок нейтринного события IceCube-170922A
. Блазар
оказался удалён от нас на на расстояние ~3.7 млрд световых
лет (красное смещение z
= 0.3365+./- 0.0010)
Хотя блазар находился в активном состоянии в гамма-диапазоне, однако это состояние началось за несколько
месяцев до нейтринного события. Регистрация частиц высоких энергий (175Gev) началась через неделю после, а поток излучения в оптическом, ренгеновском и радиодипазоне
наблюдался с плохим временным разрешением не показал существенных изменений вокруг момента регистрации.
Рисунок 3. Карта покрытия
телескопами Глобальной сети МАСТЕР "квадрата" ошибок нейтринного алерта IceCube. 22 сентября 2017 г. Блазар отмечен красной звёздочкой. Разным цветом
показаны поля зрения телескопов сети МАСТЕР. После Крымского, навелись соответственно - телескопы МАСТЕР в Южной Африке, затем
Кисловодский телескоп, потом аргентинский и уже когда ночь пришла на
Дальний Восток к наблюденям
подключилася телескоп на Байкале - МАСТЕР-Тунка.
Поэтому,
хотя "по совокупности" данные говорили об объекте TXS 0506+056 как о весьма перспективном кандидате в
источники нейтрино сверхвысоких энергий, но временнОе
разрешение multimessanger
data не позволяли сделать надежного вывода и
оставляли этот объект вероятным и дискуссионным. В настоящем письме мы
сообщаем, о статистически достоверном
изменении блеска блазара TXS 0506+056 в
нескольких минутах от нейтринного
события, которое закончилось не позднее чем через 2 часа. Например, оптические
наблюдения ASAS-SN5
начались через 18 часов после МАСТЕРа, то есть почти
в 800 раз позже.
Между тем 22
сентября 2020 года наш телескоп МАСТЕР-Таврида, получив алерт
с IceCube
через 40 секунд после события сделал первых три снимка начиная с 2017-09-22 20:55:43 UT. Поле зрения телескопа МАСТЕР
составляет 4 квадратных градуса и полностью полностью
перекрывает окончательное поле зрения IceCube.(Рис.2) Несмотря на
большое зенитное расстояние (84 градуса) предел наших кадров при экспозиции 180
секунд составил 19 звездную величину. То есть блазар TXS
0506+056 имел в этот момент звезднеую величну m
= 15.00 +- 0.02 на всех трех кадрах снятых в течении 10 минут (кривой блеска
(Рис. NN)).
Как показал анализ это был самый слабый блеск за весь период алертных наблюдений блазара! Так
через 2 часа в 2017-09-22 23:11:36 UT блеск квазара возрос в ~2 раза и составил 14.3
звездной величины. Таким образом, наши
наблюдения с огромной достоверностью 50
сигма показывают, что в минутах от регистрации нейтрино блазар
находился в аномальном притушенном состоянии.
Как показал анализ, это
был самый слабый блеск за весь период алертных
наблюдений блазара! Так, через 2 часа в 2017-09-22
23:11:36 UT
блеск квазара возрос в ~2 раза и составил ~14.3 звездной величины.
Таким
образом, наши наблюдения с огромной достоверностью 50 сигма показывают, что в минутах от
регистрации нейтрино блазар находился в аномальном
притушенном состоянии.
Это полностью подтвердилось в течении двух ночей после алерта, когда к наблюдениям подключился телескоп-робот
МАСТЕР, расположенный в Южной Африке.
Явилось ли это явление уникальным для квазара TXS 0506+056 ?
MASTER optical history of TXS
0506+056.
Рисунок 4. Архивная кривая блеска блазара TXS 0506+056, полученная на телескопах-роботах
Глобальной сети МАСТЕР с 2006 г по текущий момент.
В
базе данных Глобальной сети
МАСТЕР мы обнаружили более 300
снимков области неба 2x2
квадратных градуса с этим блазаром начиная с 2004
года, когда мы имели единственный телескоп МАСТЕР I под Москвой1.
На Рис.4 вы можете видеть нашу фотометрию блазара за последние
16 лет. В качестве звезд сравнения нами были выбраны 8 звезд из каталога Gaia, близких по положению, по яркости
и по цвету к блазару. Ошибка индивидуальной
фотометрии оценивалась по колебаниям опорных звёзд. Эти звезды были проверены
на быструю и долгую переменность и показали хорошую стабильность. Нами найдено три момента, когда яркость
блазара менялась от максимальной 14m
до 14.5-15m
c
достоверностью 10-20 сигма. Первый момент из них наблюдался 2006 году, когда нейтринная установка IceCube
еще не работала. Второй момент
наблюдался в апреле 2015 года
(существенное превышение нейтринного сигнала IC86b).
И третий в сентябре 2017года, когда было зарегистрировано событие IceCube-170922
(IC86C).
Общепринятая картина (Schlegel et al. 1998) заключается в том, что блазарное
излучение возникает из-за направленной на нас релятивистской струи (джета). При этом гамма-фактор вполне емеренный
Г ~ 1-10. В ударной волне на фронте струи происходит ускорение протонов до
сверхвысоких энергий, которые, в свою очередь, сталкиваются с фотонами-мишенями
и генерируют пионы. Распад пионов, в свою очередь, приводит к образованию мюонного нейтрино, которое регистрирует детектирование в IceCube и детектирует гамма-фотоны с
высокой гамма-энергией в гамма-обсерватории
Ферми.
В течение
периода ~ 2 недель вокруг времени обнаружения нейтринного события яркость
гамма-излучения от 0,1 до 100 ГэВ составляла 1,3-1047 эрг / с (IceCube et al
2017). Отметим, что нейтринная светимость квазара была равна примерно Lν ≈ 4 Â
1047 эрг / с, что заметно выше и, по-видимому, ближе к гамма-светимости.
Однако это неудивительно, поскольку нейтрино и гамма-излучение имеют один и тот
же источник энергии - источник высокоэнергетических протонов, ускоренных
центральной сверхмассивной черной дырой.
Однако каким
образом выброс нейтрино может сопровождаться понижением оптического блеска? В
работе мы предлагаем следующую гипотезу.
Процесс идет
примерно с одинаковой вероятностью в двумя ветвями:
нейтральные и заряженные пионы, почти мгновенно распадаются на гамма-фотоны
(γ_Fermi) и мюонные нейтрино (ν_μ ^). Обе реакции на рождение пионов имеют пороговый
тип (Hayakava, Yamamoto 1963). Предположим, что π-мезоны рождаются в результате столкновения протонов
релятивистской струи с целевыми фотонами γt. Обратите внимание, что нейтрино
и гамма-фотоны уносят несколько процентов энергии
протона. Следовательно, нейтринная светимость блазаров
определяется только скоростью рождения заряженных π
+ мезонов. Оптическая светимость как-то связана с потоком нейтрино.
Предположим, что эти самые протоны, ускоренные на фронте ударной волны
релятивистского усилителя, являются источником синхротронного оптического
излучения (сравните с работой, где эта гипотеза отвергается: Paliya et
al. 2020). Тогда следует ожидать, что с увеличением
потока нейтрино из-за исчезновения протонов в протон-фотонных
реакциях оптические синхротронные фотоны протонов будут падать. Амплитуда
уменьшения оптической светимости может быть примерно в 2 раза, так как
ответвления протекают примерно с одинаковой вероятностью. Это то, что мы
наблюдаем.
Как возникает такая быстрая изменчивость на
больших расстояниях? Где нас ожидает процесс ускорения протонов и ядер до
высоких энергий? В недавней работе (O ’Riordan et
al. 2017) показано, что гамма-фактор усилителя может
значительно варьироваться в течение нескольких минут из-за турбулентности в замагниченном потоке плазмы вблизи горизонта черной дыры.
Нам еще предстоит выяснить, откуда
исходят фотоны-мишени (Paliya et al. 2020).
Обнаруженное нами событие, а именно
уменьшение яркости блазара TXS 0506 + 056 вблизи
времени обнаружения нейтрино, дает дополнительное и очень убедительное
доказательство связи между блазаром и нейтринным
событием IceCube-170922. Мы проанализировали архивные данные (уникальные данные
фотометрии MASTER 518 за 16 лет), которые, как мы обнаружили, согласуются с
этим фактом. Мы также предлагаем гипотезу, объясняющую антикорреляцию
оптического и нейтринного потоков. Увеличение потока нейтрино означает, что
исчезает до половины протонов. Если предположить, что эти протоны производят
синхротронное оптическое излучение, то любое увеличение светимости нейтрино
приведет к уменьшению оптической яркости блазара.
Рисунок 6. История изменчивости оптического излученияTXS 0506 + 056, полученная на телескопах Глобальной сети MASTER. Вывод потока, умноженный на отношение сигнал/шум
(бирюзовые точки). Оранжевая кривая соответствует анализу потока нейтрино
командой IceCube. Чтобы убрать шум, мы усреднили точки
следующие подряд. Отклонение потока, умноженное на отношение сигнал/шум (SNR).
Событие 22 сентября 2017 года имеет выдающиеся характеристики с точки
зрения получения потока и отношения сигнал / шум.
MASTER TXS 0506 + 056 optical blazar variability rate history. Flux deriviation the
multiplied by the signal-to-noise
ratio (blue points). The orange curve corresponds to the neutrino flux analysis
by IceCube
team. To remove the noise we averaged the close points. Flux deviation the multiplied by the signal-to-noise ratio. The event
of September 22, 2017 has outstanding characteristics in terms of flux
derivation and signal-to-noise ratio.
|
Мы выражаем признательность за поддержку
Программе развития МГУ им. М.В. Ломоносова (оборудование MASTER) и генеральному
директору ОАО МО Оптика Сергею МИхайловичу Бодрову без материальной
поддержки которого, зарубежные телескопы сети МАСТЕР не появились
бы никогда.
Наблюдения за 2017/19 и VG, SS, VP, OG
поддерживаются грантом БРИКС РФФИ 17-52-80133. Наблюдения 2020 года и VL, EG,
NT, FB поддерживаются грантом РФФИ 19-29-11011. NB поддерживается Министерством
науки и образования Российской Федерации (соглашение № 075-15-2019-1631).
D.A.H.B. признает исследовательскую поддержку со стороны Южноафриканского
национального исследовательского фонда. Мы благодарны доктору Н.Н.Калмыкову и
доктору Ю.Ю.Ковалеву за обсуждение протонно-фотонных процессов и ориентации
струй Блазара.
ORCID iDs
V.М. Lipunov
https://orcid.org/0000-0003-3668-1314
D. A. H. Buckley
https://orcid.org/0000-0002-7004-9956
R. Rebolo
https://orcid.org/0000-0003-3767-7085
N. M. Budnev
https://orcid.org/0000-0002-2104-6687
References
Aartsen M. et al. 2017, A&A, 607, A115
Abbott B.P. et al. 2016, ApJL,
826, 13A
Abbot B. P. et al. 2017, ApJL,
848 (2), L12
Ade P. A. R. et al. 2016, A&A, 594, A13
Ageron M.et al. 2011, NIMPh, 656, 11
Balkanov V. et al. 2002, NuPhS, 110,
504B
Boliev M.M. et al. 2018, PPN , 49 (4),
585
Brown A.G.A. et al.
2018, A&A, 616, A1
Dornic D. et al. 2015, ATel, 7987, 1
Ershova O. et al. 2020,
ARep, 64 (2), 126
Gress O. et al. 2019, RMxAA, 51, 89
Hayakava S., Yamamoto Y. 1963, PThPh, 30, 71
IceCube Collaboration et al.
2018, Sci, 361, eaat1378
IceCube Collaboration.
2018, Sci,
361, 147
Kopper C.et al. 2017, GCN Circ, 21916,
1
Lipunov V. et al. 2010, AdAst,
2010, 30L
Lipunov V. et al.
2017, MNRAS , 465 (3), 3656
Lipunov V. et al. 2017, ApJL,
850, 1L
Lipunov V.M. et
al. 2018a, GCN Circ, 22942, 1
Lipunov V. et al.
2018b,ATel, 11902, 1
Lipunov V. et al.
2019a, GCN Circ, 26539, 1
Lipunov V. et al. 2019b, ARep,
63,293
O’ Riordan M., Pe’er A.,
McKinney J. C. 2017, ApJ,
843, 2, id. 81
Paiano S. et al. 2018, ApJ, 854, L32
Paliya V.S.et al. 2020, a-ph:
20034.060112v2 , https://arxiv.org/abs/2003.06012
Schlegel D., Finkbeiner
D., Davis M. 1998, ApJ, 843, 525
Troja E. et al. 2017, Natur, 547, 425
Optical Observations Reveal Strong Evidence
for High Energy Neutrino progenitor
Physicists are investigating
the properties of matter at ultrahigh energies, thousands of times greater than
the capabilities of the Large Hadron Collider. “Free”
accelerators are located in the Universe and astronomers can’t do without them.
Different countries that built monster-like machines in ice (IceCube), under water (ANTARES, Baykal Neutrino
Observatory), and in deep tunnels (Baksan Neutrino
Observatory) have been detecting ultrahigh-energy neutrinos for the past 10
years. It is still not possible to understand where cosmic neutrinos of superhigh energies come from and astronomical robots have
joined in solving this problem. Here we show that the source of
ultrahigh-energy neutrinos is supermassive black
holes - blazars - in at least one case. A few years
ago, the MASTER Global Network of Robot Telescopes came to the rescue, which
within a minute is capable of pointing to anywhere in the sky according to the
signal of neutrino detectors. After 2 years among the myriad objects in the
sky, she caught one of the culprits of this huge scientific problem. In this
work, the earliest astronomical observation of a high energy neutrino error box
in which its variability was discovered after
ultrahigh-energy neutrinos detection. The Crimean robotic telescope of
the MASTER1 global international network automatically imaged the
error box of the very high-energy
neutrino event IceCube-170922A2. Observations were carried out 27
seconds after receiving the alert, i.e., 73 seconds after the IceCube-170922A
neutrino event was detected by the IceCube
installation at the South Pole3. Robot found the blazar TXS 0506+0565 to be in the off-state after one minute and
then switched to the on-state no later than two hours after the event. The
effect is observed at a 50-sigma
significance level.
-->
