Впервые смоделирован полный нейтринный фон Млечного Пути: почему это ключ к поиску Темной материи

Каждую секунду сквозь ноготь вашего большого пальца пролетают около 60 миллиардов нейтрино. Почти все они рождены в недрах Солнца. Но наша звезда — лишь одна из сотен миллиардов в Галактике. Если выключить Солнце, погрузится ли мир в полную нейтринную тьму? Нет. Млечный Путь продолжает светиться в невидимом спектре, и астрофизики из Института Нильса Бора впервые детально смоделировали этот призрачный галактический фон.

Изучение галактического фона — это задача на пределе чувствительности современных технологий. Поток нейтрино от Солнца на поверхности Земли составляет десятки миллиардов частиц на квадратный сантиметр в секунду. На этом фоне излучение остальных звезд Галактики теряется, будучи слабее примерно в сто тысяч раз. Тем не менее, точное знание параметров этого слабого фона критически важно. Без понимания того, как светится в нейтринном спектре обычная материя Галактики, невозможно искать следы экзотических процессов — от распада темной материи до гипотетических явлений за пределами Стандартной модели физики.

В новой работе, астрофизики Пабло Мартинес-Мираве и Ирен Тамборра представили наиболее полную на сегодняшний день карту нейтринного излучения Млечного Пути.

Цифровая реконструкция Галактики

Чтобы рассчитать суммарный поток частиц, недостаточно просто умножить излучение одной усредненной звезды на их количество. Звездное население Галактики крайне неоднородно: оно состоит из объектов разной массы, возраста и химического состава, распределенных в пространстве неравномерно.

Авторы исследования построили трехмерную модель распределения барионной (обычной) материи в Млечном Пути, опираясь на данные второго релиза космического телескопа Gaia. В структуре Галактики были выделены три ключевых компонента, играющих разную роль в генерации нейтрино:

1. Галактический балдж: плотное сфероидальное утолщение в центре Галактики, состоящее преимущественно из старых звезд.
2. Толстый диск: структура, охватывающая плоскость Галактики, населенная звездами среднего и пожилого возраста с низкой металличностью (малым содержанием элементов тяжелее гелия).
3. Тонкий диск: область, где сосредоточена основная масса газа и пыли, происходит активное звездообразование и находятся молодые массивные звезды.

Для каждой из этих зон была смоделирована история звездообразования. Затем, используя программный комплекс MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics), ученые просчитали жизненный цикл звезд в диапазоне масс от 0,08 до 100 масс Солнца. Этот код позволяет отслеживать эволюцию небесного тела с момента его формирования до гибели, фиксируя все ядерные и тепловые процессы, происходящие в его недрах.

Механизмы генерации: термоядерный синтез и тепловое охлаждение

Результаты моделирования показали, что нейтринный спектр Галактики формируется двумя принципиально разными физическими механизмами, которые доминируют в разных диапазонах энергий. Это одно из главных отличий галактического фона от солнечного излучения.

Термоядерные нейтрино (Высокие энергии: > 0,1 МэВ)

Основной вклад в высокоэнергетическую часть спектра вносят реакции ядерного синтеза, при которых водород превращается в гелий. На Солнце этот процесс идет преимущественно через протон-протонный цикл. Однако в масштабах всей Галактики, особенно в Тонком диске, существенную роль начинают играть массивные звезды. В их недрах температура и давление настолько высоки, что доминирует CNO-цикл (углеродно-азотно-кислородный цикл).

Модель показала, что именно массивные звезды Тонкого диска, несмотря на их меньшую численность по сравнению с красными карликами, определяют высокоэнергетический профиль галактического излучения. Их вклад смещает спектр в область более высоких энергий по сравнению с солнечным.

Термические нейтрино (Низкие энергии: < 0,1 МэВ)

В низкоэнергетическом диапазоне ситуация меняется. Здесь основным источником частиц становятся не ядерные реакции, а процессы охлаждения плазмы. В недрах звезд, особенно на поздних стадиях эволюции (например, у белых карликов или красных гигантов), плотность вещества чрезвычайно высока.

В таких условиях фотоны взаимодействуют с заряженными частицами плазмы и приобретают свойства, характерные для частиц с массой. Эти квазичастицы называют плазмонами. Распад плазмона приводит к рождению пары «нейтрино — антинейтрино». Расчеты Мартинеса-Мираве и Тамборры продемонстрировали, что именно этот тепловой механизм, а не ядерный синтез, формирует фундамент нейтринного фона Галактики. В солнечном потоке этот компонент выражен значительно слабее.

Пространственная структура и проблема регистрации

Суммирование вкладов всех компонентов показало, что плотность потока галактических нейтрино на Земле составляет от 10 до 1000 частиц на квадратный сантиметр в секунду (в зависимости от диапазона энергий). Это на пять порядков меньше, чем поток от Солнца.

Для современных детекторов, таких как Borexino или Super-Kamiokande, выделить этот сигнал на фоне солнечного шума, основываясь только на энергии частиц, невозможно. Спектры этих двух источников слишком сильно перекрываются. Кроме того, в этом же диапазоне энергий присутствует Диффузный фон сверхновых — суммарное излучение от взрывов звезд во всей наблюдаемой Вселенной.

Однако исследование выявило параметр, который позволит в будущем разделить эти сигналы — пространственная анизотропия. Солнечные нейтрино приходят к нам из одной точки пространства. Галактический фон, напротив, распределен вдоль плоскости Млечного Пути. Наибольшая интенсивность потока (согласно построенной карте) ожидается из области Галактического центра и Тонкого диска, с расстояния примерно 5-10 килопарсек от Земли.

Фундаментальное значение модели

Разработанная модель GSνF устанавливает строгие ограничения для физики элементарных частиц.

Одним из главных направлений современной физики является поиск Темной Материи. Существуют теоретические модели, согласно которым частицы темной материи могут скапливаться в гравитационном центре Галактики и аннигилировать, испуская нейтрино. Чтобы обнаружить этот процесс, экспериментаторы должны с абсолютной точностью знать естественный уровень нейтринного излучения от обычной материи в этой области.

Если детекторы следующего поколения зафиксируют поток нейтрино из центра Галактики, превышающий значения, предсказанные в данной работе, это станет веским указанием на наличие неучтенных источников энергии. Такими источниками могут быть либо неизвестные астрофизические объекты, либо процессы «Новой физики» (распад стерильных нейтрино или аннигиляция вимпов).

Так что, работа датских физиков переводит нейтринную астрономию Млечного Пути из разряда теоретических оценок в плоскость точного моделирования. Галактический фон становится калибровочным инструментом для изучения фундаментальных свойств Вселенной.

Источник:arXiv