Signalas iš Visatos gelmių suglumino fizikus: tokio galingo neutrinų pliūpsnio dar niekas nebuvo matęs

Milijardams žmonių tokie dalykai tikriausiai nerūpi, tačiau tiems, kurie iš prigimties yra smalsūs ir turi galimybę pasinerti į šią smalsumo kelionę, 2023 m. užfiksuotas neįtikėtinai energingas neutrinų signalas tapo išskirtiniu įvykiu, galbūt net istoriniu.

Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT) – Kubinio kilometro neutrinų teleskopas – užfiksavo šį nepaprastai energingą neutriną iš savo stebėjimo vietos Viduržemio jūros dugne. Dalelės energija siekė apie 220 PeV, tad ji buvo galingesnė už bet kokią dalelę, kurią esame sugebėję sukurti galingiausiame pasaulyje dalelių greitintuve – Didžiajame hadronų priešpriešinių srautų žiede.

Saulė nuolat skleidžia neutrinų srautą, vadinamą saulės neutrinų srautu, tačiau šios dalelės yra palyginti mažos energijos.

KM3-230213A – taip pavadintas apie 100 PeV energijos neutrinų įvykis – visiškai nustelbia tipišką saulės neutriną. Šis įvykis buvo maždaug milijardą kartų energingesnis už vidutinį saulės neutriną.

Astro fizikoje nėra daug reiškinių, galinčių taip „įkrauti“ neutriną. Iš tiesų, joks gerai suprantamas objektas ar procesas šiuo metu negali iki galo paaiškinti tokio įvykio.

Mokslininkai svarsto kelias galimas kilmės versijas: pulsarų varomus optinius tranzientus, gama spindulių žybsnius, tamsiosios medžiagos skilimą, aktyvius galaktikų branduolius, juodųjų skylių susiliejimus ir įvairius scenarijus, susijusius su pirminėmis juodosiomis skylėmis.

Naujas tyrimas, publikuotas žurnale Physical Review Letters, siūlo dar vieną paaiškinimą, taip pat paremtą pirminėmis juodosiomis skylėmis. Straipsnis vadinasi „Explaining the PeV neutrino fluxes at KM3NeT and IceCube with quasiextremal primordial black holes“ („PeV energijos neutrinų srautų KM3NeT ir IceCube paaiškinimas kvazieksremaliomis pirminėmis juodosiomis skylėmis“). Pagrindinis darbo autorius – Michaelas Bakeris, Masačusetso universiteto Amherste (UMass Amherst) fizikos docentas.

„KM3NeT eksperimente neseniai užfiksuotas neutrinų signalas, kurio energija siekia apie 100 PeV, o IceCube detektorius užregistravo penkis neutrinus, kurių energija viršija 1 PeV“, – rašo autoriai. – „Kadangi nėra žinomų astrofizinių šaltinių, galinčių tai paaiškinti, šiuos itin energingus neutrinus galėjo pagaminti sprogstančios pirminės juodosios skylės.“

Pirminės juodosios skylės (PBH) yra hipotetiniai objektai. Skirtingai nei žvaigždinės masės juodosios skylės, kurioms susidaryti reikia masyvios žvaigždės žlugimo, PBH, remiantis teorija, galėjo susiformuoti iš karto po Didžiojo sprogimo iš labai tankių subatominių medžiagos gumulėlių, kai Visatos fizikinės sąlygos buvo visiškai kitokios nei dabar.

PBH yra gerokai mažesnės už žvaigždines juodąsias skyles, bet išlieka neįtikėtinai tankios. Joms vis dar galioja sena taisyklė: „Iš juodosios skylės negali pabėgti niekas, net šviesa.“ Tačiau PBH turi ir kitą bendrą savybę su „įprastomis“ juodosiomis skylėmis – vadinamąją Hokingo spinduliuotę.

Stepheną Hawkingą įkvėpusi Hokingo spinduliuotės (HR) idėja teigia, kad juodosios skylės ilgainiui netenka masės, nes jų įvykių horizonte generuojamos dalelės išneša energiją. Jei skylė neįsiurbia pakankamai naujos medžiagos, teoriškai ji turėtų „išgaruoti“.

Deja, dauguma juodųjų skylių atveju HR yra tokia silpna, kad jos neįmanoma užfiksuoti net pačiais jautriausiais mūsų teleskopais. Žvaigždinės masės juodosioms skylėms ši spinduliuotė praktiškai nedetektuojama, tačiau daug lengvesnių PBH atveju situacija gali būti kitokia.

„Kuo juodoji skylė lengvesnė, tuo ji turėtų būti karštesnė ir sklisti daugiau dalelių“, – aiškina vienas tyrimo bendraautorių, UMass Amherst fizikos docentas Andrea Thamm.

„Garavimo metu PBH vis lengvėja, dėl to dar labiau įkaista ir pradeda spinduliuoti dar daugiau dalelių. Šis procesas tampa tarsi grandininis, kol viskas baigiasi sprogimu. Būtent tokią Hokingo spinduliuotę mūsų teleskopai potencialiai gali užfiksuoti.“

Garavimo procesui spartėjant, PBH galiausiai patiria paskutinį, itin smarkų sprogimo etapą. Per paskutinę savo egzistavimo sekundę tokia skylė tampa ypač karšta ir „sprogsta“ išgaruodama. Manoma, kad šis finalinis etapas gali išspinduliuoti ypač didelės energijos neutrinus, tokius kaip KM3-230213A.

Skaičiavimai rodo, kad tokie PBH sprogimai galėtų įvykti maždaug kartą per dešimtmetį, ir jų metu susidarytų gausybė subatominių dalelių. Tai ne tik žinomos dalelės – elektronai ar kvarkai, bet ir hipotetinės, dar neaptiktos dalelės, taip pat galbūt visiškai nauji, mums kol kas nežinomi dalelių tipai.

Tyrėjų komanda svarsto, kad KM3-230213A gali būti pirmasis realus PBH išgaravimo įrodymas. Tačiau čia iškyla problema: IceCube neutrinų observatorija šio įvykio neužfiksavo ir apskritai dar niekada nėra stebėjusi neutrinų, prilygstančių KM3-230213A energijai.

Jei PBH sprogimo įvykis įvyksta maždaug kartą per dešimt metų, kodėl IceCube dar nėra užfiksavęs bent vieno tokių neutrinų? IceCube stebėjimus vykdo jau apie 20 metų.

Mokslininkai teigia, kad sprendimo raktas gali būti ne įprastos, o neįprastos savybės PBH.

„Manome, kad PBH, turinčios vadinamąjį „tamsųjį krūvį“ – mes jas vadiname kvazieksremaliomis PBH – yra trūkstamoji grandis“, – aiškina tyrimo bendraautorius, UMass Amherst fizikos postdoktorantas Joaquimas Iguaz Juanas.

Tyrėjų manymu, PBH su tamsiuoju krūviu – tai tarsi labai masyvi, hipotetinė elektrono versija, vadinamoji „tamsioji elektrono“ dalelė. Tokios PBH didžiąją savo egzistavimo dalį praleidžia kvazieksremalioje būsenoje, kai skylė yra beveik pasiekusi maksimalų įmanomą krūvio ir masės santykį.

IceCube ir KM3NeT detektoriai sukalibruoti skirtingoms energijoms. IceCube jautrumo riba – apie 10 PeV, todėl jis fiziškai negali užregistruoti tokių aukštos energijos neutrinų, kaip KM3-230213A. Ši detektoriaus riba paaiškina, kodėl IceCube šio įvykio „nematė“.

Bakerio teigimu, papildomas modelio sudėtingumas, įtraukiant tamsųjį krūvį turinčias PBH, iš tikrųjų sustiprina šio paaiškinimo patikimumą.

„Mūsų tamsiojo krūvio modelis yra sudėtingesnis, tačiau dėl to jis gali būti artimesnis realybei“, – sako Bakeris. – „Įspūdinga matyti, kad šis modelis leidžia paaiškinti reiškinį, kuris kitu atveju atrodytų visiškai nepaaiškinamas.“