Учёные нашли возможный след тёмной материи рядом с источником космических нейтрино

Астрономы обнаружили признаки того, что струя вещества далёкого блазара PKS 2233-148 могла подвергнуться гравитационному линзированию невидимым сгустком тёмной материи. Исследование под руководством Сильке Бритцен из Института радиоастрономии Общества Макса Планка показывает возможную связь между кратковременным изменением поведения струи и воздействием гравитационного поля объекта, который невозможно наблюдать непосредственно.

PKS 2233-148 представляет собой блазар — активное ядро далёкой галактики, выбрасывающее из своих полюсов мощные струи ионизированного вещества, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. Одна из струй направлена практически непосредственно на Землю, благодаря чему астрономы могут подробно изучать происходящие в ней процессы.

Блазары рассматриваются как одни из вероятных источников космических нейтрино — чрезвычайно слабо взаимодействующих частиц, которые способны проходить огромные расстояния через Вселенную. Считается, что мощные струи активных галактических ядер могут действовать как космические ускорители частиц и создавать нейтрино одновременно с широким спектром электромагнитного излучения.

Для регистрации таких частиц используется, в частности, обсерватория IceCube, расположенная в антарктическом льду. Её детекторы занимают объём около одного кубического километра и фиксируют слабые вспышки света, возникающие, когда высокоэнергетические нейтрино взаимодействуют со льдом. По характеру и времени этих сигналов исследователи могут определять направление, откуда пришли частицы, и сопоставлять его с удалёнными астрофизическими объектами.

Однако одних наблюдений нейтрино недостаточно, чтобы установить механизм их возникновения. Поэтому астрономы ищут события, при которых регистрации нейтрино соответствуют изменениям электромагнитного излучения предполагаемого источника. Если оба сигнала связаны с одним процессом, это может помочь определить физический механизм генерации нейтрино.

Для изучения PKS 2233-148 команда Сильке Бритцен повторно проанализировала данные наблюдений в разных диапазонах электромагнитного спектра. Радионаблюдения были получены с помощью американской сети радиотелескопов Very Long Baseline Array, гамма-излучение исследовалось космическим телескопом Fermi-LAT, а рентгеновское излучение — обсерваторией Swift-XRT.

Совместный анализ позволил исследователям проследить движение струи блазара и изменения её положения во времени. При этом они обнаружили необычное смещение струи относительно ожидаемой траектории. Аналогичная особенность проявилась и в гамма-излучении: на фоне обычной последовательности вспышек произошёл очень быстрый дополнительный гамма-всплеск.

Исследователи предполагают, что необычно короткая продолжительность этой вспышки может быть связана с гравитационным линзированием. Такой эффект возникает, когда массивный объект оказывается между наблюдателем и далёким источником излучения. Согласно общей теории относительности, его гравитационное поле искривляет траекторию распространяющегося излучения, из-за чего видимое положение и яркость удалённого объекта могут изменяться.

В данном случае астрономы рассматривают возможность того, что перед PKS 2233-148 прошёл компактный сгусток тёмной материи. Его собственное излучение обнаружить невозможно, но гравитационное воздействие могло временно изменить наблюдаемую картину струи блазара и вызвать характерную кратковременную особенность в гамма-излучении.

Если такая интерпретация подтвердится, PKS 2233-148 станет четвёртым вероятным источником космических нейтрино, для которого обнаружены признаки гравитационного линзирования. При этом исследователи считают особенно важным то, что наблюдаемый эффект может указывать не просто на присутствие тёмной материи, а на её мелкомасштабную структуру.

Кратковременные события такого типа трудно обнаруживать, поскольку они быстро исчезают и требуют одновременных наблюдений в разных диапазонах электромагнитного спектра. Поэтому обнаружение возможного линзирования в PKS 2233-148 может предоставить новый способ изучения распределения тёмной материи, которую невозможно наблюдать напрямую.

Следующим этапом исследователи планируют искать аналогичные события у других возможных источников космических нейтрино и сопоставлять их с данными IceCube. Если удастся установить устойчивую связь между быстрыми изменениями излучения блазаров, гравитационным линзированием и регистрацией нейтрино, это поможет лучше понять, какие процессы в активных галактических ядрах создают эти высокоэнергетические частицы.

Пока обнаруженный эффект остаётся возможным свидетельством гравитационного линзирования тёмной материей, а не прямым доказательством такого механизма. Дополнительные наблюдения должны показать, действительно ли необычные изменения PKS 2233-148 вызваны прохождением невидимого сгустка тёмной материи перед струёй блазара.

Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.