Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана

В ночь с 23 на 24 февраля 1987 г. здесь в Лас-Кампанасе находился Иэн Шелтон – 30-летний канадец родом из города Виннипег. В этой обсерватории он работал в качестве постоянного наблюдателя на небольшом 600-мм телескопе, принадлежащем Университету Торонто. Шелтон не только успевал регистрировать данные, которые требовались торонтским астрономам, но и находил время повозиться с еще одним телескопом поменьше – 250 мм, также установленным на этой горе. Возраст телескопа был уже значительным – более полувека. Он был установлен в небольшом сарае, причем даже не имел автогида для отслеживания звезд, поэтому Шелтону приходилось следить за небом вручную. В ту ночь Шелтон в очередной раз направил маленький телескоп на Большое Магелланово Облако – одну из галактик-спутников Млечного Пути. Длительные экспозиции этой карликовой галактики Шелтон запечатлевал на старомодных фотопластинках; затем он собирался изучить полученные снимки и поискать в глубинах Облака переменные звезды.

В предрассветный час 24 февраля, уже собираясь идти спать, Шелтон решил проявить последнюю фотопластинку, отснятую этой ночью. Он извлек пластинку из проявочного бачка и присмотрелся к ней – хотел проверить, насколько правильная была экспозиция. Тут он обратил внимание на странную деталь – необычное яркое пятно рядом с хорошо известной туманностью Тарантул (по форме она действительно напоминает паука). Ученый задумался, что бы это могло быть, и решил, что ему просто попалась дефектная пластинка. Просто чтобы лишний раз в этом удостовериться, он вышел на чистый сухой горный воздух и взглянул на небо невооруженным глазом. В Большом Магеллановом Облаке он сразу заметил яркую звезду, которой там не было еще прошлой ночью. Шелтон поспешил к еще одному телескопу, расположенному рядом на горном кряже, чтобы поделиться этой новостью. Шелтон рассказал о своей загадочной находке двум другим астрономам, дежурившим на контрольном пункте, – Барри Мадоре и Уильяму Кункелю. Пока они об этом беседовали, чилиец Оскар Духальде – оператор телескопа – добавил, что и он несколько часов назад заметил эту звезду, когда выходил на улицу подышать воздухом. Все четверо пришли к выводу, что перед ними – сверхновая. Так называется взорвавшаяся звезда, которая в течение короткого времени может сиять ярче, чем миллиарды солнц. Астрономия не знает каких-либо иных небесных тел, чья яркость может меняться так плавно и при этом быстро. Еще вчера ночью будущую сверхновую не мог зарегистрировать телескоп, а уже сегодня она легко видна невооруженным глазом. Оставалось признать, что Шелтон и Духальде действительно открыли сверхновую, взорвавшуюся в галактике-спутнике Млечного Пути.

На противоположном берегу Тихого океана, в приморском новозеландском городке Нельсон той ночью не спал еще один человек – бывший лавочник и страстный астроном-любитель Альберт Джонс. Джонс тоже высматривал переменные звезды в Большом Магеллановом Облаке. Будучи настоящим энтузиастом, он то и дело засиживался за телескопом, который установил у себя на заднем дворе, и глядел в небеса. В ночь на 24 февраля Джонс заметил яркую голубую звезду, явно не относившуюся к Большому Магеллановому Облаку. Он был уверен, что ранее точно не видел этой звезды, поэтому отметил, какое положение она занимает относительно других звезд, расположенных в поле зрения. Прежде чем Альберт смог с уверенностью оценить яркость этой звезды, набежали облака, и звезда исчезла из вида. Джонс предположил, что это, вероятно, сверхновая, поэтому сообщил о ней другим астрономам, посоветовав им также отыскать эту звезду и следить за тем, как она будет меняться. Оказалось, что Джонс действительно открыл ту же самую сверхновую, которую заметили Шелтон и Духальде, – но совершенно независимо от них и на несколько часов раньше.

Сверхновая была замечена и в Австралии – новую звезду обнаружил Роберт Макнот, работавший в обсерватории Сайдинг-Спринг, расположенной примерно в 400 км от Сиднея. Макноту посчастливилось сфотографировать Большое Магелланово Облако в ту же ночь, что и Шелтону в Чили. Макнот сразу проявил фотопластинки с изображениями Облака, но был слишком занят другими делами, поэтому не успел их сразу как следует рассмотреть. Когда ему сообщили о сверхновой по телефону, Макнот помчался к своим пластинкам. На его фотографиях (некоторые из них были отсняты на 15 часов раньше шелтоновских) также просматривался небесный маяк, который было невозможно с чем-либо спутать. Макнот сравнил его положение с более ранними снимками этой области неба и заключил, что звезда расположена ровно на том же месте, где ранее находился голубой сверхгигант Sanduleak –69° 202; эта звезда давно фигурировала в каталогах, и астрономы ее изучали. Таким образом, впервые в истории удалось точно определить, какая именно звезда взорвалась; иными словами, в распоряжении ученых оказались фотографии звезды «до» и «после» взрыва. Астрономы смогли проследить последние стадии эволюции огромной звезды так точно, как никогда ранее.

К 10.00 24 февраля об этом открытии уже знали исследователи со всего мира – кому-то успели позвонить воодушевленные коллеги, другие получили телеграмму из Международного астрономического союза. Всеобщее ликование было связано и с тем, что сверхновая 1987А (именно под таким названием стала известна новая звезда) оказалась первой сверхновой, взорвавшейся в непосредственной близости от нашей Галактики со времен изобретения телескопа – то есть примерно за последние 400 лет. Это была самая яркая и близкая к нам сверхновая, которую удалось увидеть за последние 383 года – с тех пор как в 1604 г. Иоганн Кеплер невооруженным глазом наблюдал в нашей Галактике взрыв другой сверхновой. У астрономов появилась беспрецедентная возможность лицезреть агонию умирающей звезды. В течение следующих часов и дней остатки звезды постепенно растекались с места взрыва, смешиваясь с газом и пылью окружающего межзвездного пространства. Сама сверхновая становилась в нашем небе все менее и менее яркой.

Астрономы спешно задействовали в Южном полушарии целый арсенал мощных оптических, инфракрасных и радиотелескопов. К работе подключилось множество специалистов, особенно из Чили, Австралии и Южной Африки, где располагаются многочисленные современные наземные обсерватории. Исследования велись и при помощи специальной аппаратуры, установленной на борту космических кораблей, – речь идет о телескопах ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов. Объективы всех этих аппаратов были устремлены на Большое Магелланово Облако, где разворачивались беспрецедентные события. В этот период ученые работали не покладая рук, лишь немногие из них могли припомнить подобный аврал. Как восторженно выразился один астрофизик, работа кипела «словно под Рождество».

Джон Бакал, признанный эксперт по моделированию процессов, протекающих в глубине звезд, в тот период работал в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. Открытие сверхновой произвело на Бакала такое глубокое впечатление, что он даже потерял сон. Причем неслучайно: ведь Бакал знал, что самые первые и, пожалуй, наиболее важные предвестники этого космического катаклизма должны были появиться за несколько часов до того, как астрономы заметили в свои телескопы взрыв сверхновой. Бакал отлично понимал, что, согласно теоретическим моделям звездной эволюции, коллапс звездного ядра (финал существования массивной звезды) должен сопровождаться обильным выбросом нейтрино, которые мчатся из эпицентра взрыва, не встречая на пути практически никаких преград. Последний салют озарит небо позже, когда разлетится внешняя оболочка звезды. Спустя всего несколько минут после известия о сверхновой 1987А Бакал и двое его коллег взялись за расчеты: они собирались вычислить, сколько нейтрино должны были зафиксировать различные детекторы, расположенные по всей Земле. Изначально предполагалось, что эта сверхновая могла быть «ненастоящей»: то есть мы могли наблюдать не окончательную гибель огромной звезды, а так называемую «сверхновую типа 1а». В этом случае взрывается звездный огарок, так называемый белый карлик; это происходит, если он сможет перетянуть на себя достаточно много вещества от крупной звезды-соседки и в результате достигнет критической массы. Но астрономические наблюдения свидетельствовали об обратном, поэтому трое теоретиков взялись за дело. Они определили, что классический взрыв сверхновой должен дать небывалый улов нейтрино – как минимум несколько десятков зарегистрированных частиц. Не прошло и недели, как физики отправили статью с такими выводами в журнал Nature – поэтому их прогноз оказался опубликован раньше, чем были получены результаты из нейтринных обсерваторий.