Астрофизические нейтрино представляют собой нейтральные, слабо взаимодействующие элементарные частицы, генерируемые в экстремальных астрофизических условиях. Они несут информацию о высокоэнергетических и слабо изученных процессах, которые зачастую недоступны для наблюдения в других электромагнитных диапазонах. Благодаря чрезвычайно малому сечению взаимодействия с веществом, нейтрино способны проходить через гигантские расстояния и плотные среды практически без рассеяния, сохраняя информацию о своих источниках.
Один из ключевых источников астрофизических нейтрино — гравитационный коллапс массивных звёзд, приводящий к вспышке сверхновой типа II. В момент коллапса ядра в нейтронную звезду или черную дыру происходит выброс огромного количества нейтрино всех трёх лептонных ароматов, суммарная энергия которых может составлять до 99% всей гравитационной энергии звезды (~10¹⁵ Дж). Эти нейтрино рождаются в процессах электронного захвата на протонах, нейтрино-аннигиляции и нейтрино-нуклеонных взаимодействий.
Спектр таких нейтрино обычно лежит в диапазоне от нескольких до десятков МэВ. Успешное наблюдение нейтрино от сверхновой SN 1987A стало фундаментальным подтверждением этих предсказаний. При этом временной профиль нейтринного всплеска содержит информацию о внутренней динамике коллапса, включая фазы формирования нейтронной звезды, нейтринного охлаждения и возможного образования чёрной дыры.
Активные галактические ядра (AGN) представляют собой сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик, окружённые аккреционными дисками. В некоторых случаях от них исходят релятивистские джеты — узкие потоки плазмы, движущиеся с околосветовой скоростью. Внутри джетов происходят ускорения заряженных частиц до ультравысоких энергий посредством ферми-ускорения и магнитной реконкинации.
Протоны, ускоренные в таких джетах, могут взаимодействовать с окружающим фотонным полем (pγ-процессы) или с другими нуклонами (pp-процессы), образуя нейтрино высокого (TeV–PeV) диапазона в результате распада вторичных π-мезонов:
p + γ → Δ⁺ → π⁺ + n → μ⁺ + νμ → e⁺ + νe + νμ
Таким образом, релятивистские джеты в AGN рассматриваются как важнейшие кандидаты на роль источников высокоэнергетических космических нейтрино. Детектирование нейтрино, совпадающее по направлению с известным блазаром TXS 0506+056, позволило впервые установить связь между нейтрино и активным ядром.
Гамма-всплески — это кратковременные и чрезвычайно мощные выбросы гамма-излучения, происходящие на космологических расстояниях. Их предполагаемая природа — слияния нейтронных звёзд или коллапсы массивных звёзд в гиперновые.
В релятивистских выбросах GRB также может происходить эффективное ускорение протонов, что приводит к генерации нейтрино в процессах pγ-реакций на внутреннем фотонном поле:
p + γ → π⁺ → μ⁺ + νμ → e⁺ + νe + νμ
Теоретически ожидается нейтринное излучение в диапазоне от 10⁵ до 10⁹ ГэВ. Однако несмотря на активные поиски, пока не удаётся статистически достоверно установить связь между нейтрино и гамма-всплесками. Это может указывать либо на неэффективность образования нейтрино в таких сценариях, либо на недостаточную чувствительность текущих нейтринных телескопов.
Остатки сверхновых (SNR) и пульсарные ветровые туманности (PWN) рассматриваются как галактические источники космических лучей до энергий порядка 10¹⁵ эВ. Внутри этих объектов ускоренные протоны могут взаимодействовать с межзвёздной средой (водородом), образуя π-мезоны и, следовательно, нейтрино:
p + p → π⁺/π⁻ → μ⁺/μ⁻ + νμ/ν̄μ → e⁺/e⁻ + νe/ν̄e + νμ/ν̄μ
Хотя такие нейтрино имеют меньшие энергии, чем в случае AGN или GRB, они важны для проверки моделей галактического происхождения космических лучей. Обнаружение нейтрино от конкретных остатков сверхновых пока остаётся задачей будущих наблюдений.
Нейтрино, порождаемые при взаимодействии ультравысокоэнергетических (UHECR) космических лучей с фотонным фоном Вселенной (в первую очередь, реликтовым излучением), называются космогенными нейтрино. Этот процесс известен как механизм Грайзена–Зацепина–Кузьмина (GZK-нейтрино):
p + γ_CMB → Δ⁺ → π⁺ + n → нейтрино
Такие нейтрино обладают энергиями выше 10¹⁷–10²⁰ эВ, и их обнаружение представляет колоссальную экспериментальную сложность, требуя детекторов с площадями в тысячи квадратных километров (например, обсерватория «Аскарян Радио Аррай» или ANITA в Антарктиде). Космогенные нейтрино позволяют исследовать источники UHECR и состав межгалактического вещества.
Нейтрино также могут быть связаны с гипотетическими процессами аннигиляции или распада частиц темной материи. В рамках таких моделей ожидается генерация нейтрино в центре галактик, в том числе в центре Млечного Пути, или в Солнце, где скапливаются WIMP-частицы. Их взаимодействие приводит к цепочкам распадов, порождающих нейтрино в диапазоне от GeV до TeV:
χ + χ → SM частицы → π → μ → нейтрино
Поиск таких сигналов ведется, в частности, с помощью нейтринных телескопов IceCube, KM3NeT и Baikal-GVD. Их непрерывные наблюдения центров масс галактик и Солнца позволяют накладывать ограничения на параметры тёмной материи.
Современные детекторы, такие как IceCube на Южном полюсе, позволяют фиксировать нейтрино с энергиями от десятков ГэВ до нескольких ПэВ. Спектральная и угловая информация от регистрируемых событий сравнивается с возможными астрофизическими источниками, используя многоканальные методы — от радиодиапазона до рентгенов и γ-излучения. Важную роль играют события «высокой достоверности», например, нейтрино, совпадающие по времени и направлению с яркими вспышками в других диапазонах (multimessenger-астрономия).
Нейтрино уникальны тем, что могут проникать из глубин самых плотных областей, что делает их единственным носителем информации о процессах, происходящих за пределами горизонта фотонного наблюдения — например, внутри аккреционных дисков, у горизонта событий чёрных дыр или в ранней Вселенной.
| Источник | Энергия нейтрино | Механизм |
|---|---|---|
| Сверхновые | ~10 МэВ | β-процессы, захват e⁻ |
| AGN и блазары | 10¹²–10¹⁴ эВ (TeV–PeV) | pγ → π → нейтрино |
| GRB | 10¹⁴–10¹⁷ эВ | pγ-процессы во внутренних зонах |
| Остатки сверхновых | 10⁹–10¹² эВ | pp-взаимодействия |
| Космогенные нейтрино (GZK) | 10¹⁷–10²⁰ эВ | p + γ_CMB → π → нейтрино |
| Тёмная материя | 10²–10⁶ ГэВ | аннигиляция WIMP |
Таким образом, астрофизические нейтрино охватывают почти 20 порядков величины по энергии и формируют основу для построения многомессенджерной космологии. Их происхождение связано с фундаментальными механизмами астрофизики высоких энергий, физики частиц и космологии.