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

Ученые полагают, что нейтрино значительно приблизили гибель Sanduleak –69° 202. На углеродном этапе звездной эволюции, когда температура в ядре достигла 500 млн градусов, звезда испускала настолько высокоэнергетическое излучение, что оно привело к образованию электронно-позитронных пар (ведь, согласно эйнштейновскому уравнению E = mc2, энергия может превращаться в материю, и наоборот). Как правило, такие пары частица – античастица при столкновении аннигилируют, испуская гамма-лучи, но иногда в результате такого взаимодействия могут возникать пары нейтрино и антинейтрино. Поскольку нейтрино и антинейтрино редко взаимодействуют с окружающей материей, они должны ускользать из звезды, унося с собой часть энергии, которую звезда могла бы бросить на борьбу с гравитацией.

Более того, нейтрино могут играть важнейшую роль и при самом взрыве сверхновой. Когда железное ядро выгоревшей звезды достигает критической массы, примерно в 1,4 раза превышающей массу Солнца (это пороговое значение известно под названием «предел Чандрасекара», в честь индийского астрофизика, описавшего данный феномен), оно за доли секунды сжимается в миниатюрный шарик, имеющий всего лишь около 50 км в поперечнике. Экстремальные температуры способствуют обильному выделению энергии, в результате возникает еще больше пар нейтрино-антинейтрино. Эти частицы ускользают из ядра (на что у них уходит несколько долгих секунд, ведь плотность окружающего их вещества невероятно высока), унося с собой довольно много энергии. Тем временем свободные нейтроны, изобилующие в этой высокоэнергетической среде, сливаются с железными ядрами, в результате чего образуются еще более тяжелые элементы. Схлопывание прекращается, когда такой шар сравнивается по плотности с атомным ядром. В таком случае ядерные силы не позволяют протонам и нейтронам сколь-нибудь еще уплотниться. Фактически сжимающееся звездное ядро немного разбухает, сталкиваясь с устремляющимися к нему внешними оболочками и порождая мощную ударную волну. Но, согласно самым современным компьютерным моделям, эта взрывная волна быстро ослабевает.

Именно на этом этапе в игру вновь могут вступить нейтрино, которые словно приходят звезде на помощь. «Если даже ничтожная доля нейтрино, струящихся из звездного ядра, будет попадать в вещество непосредственно за гребнем останавливающейся ударной волной, подпитывая этот гребень своей энергией, то этого может быть достаточно, чтобы ударная волна снова пришла в движение», – объясняет Георг Раффельт, ученый из Института физики им. Макса Планка в Мюнхене. «Если бы не нейтрино, – подчеркивает он, – то вся звезда превратилась бы в черную дыру без каких-либо видимых фейерверков». Ожившая взрывная волна разносит во все стороны оставшиеся оболочки звезды. В результате тяжелые элементы до железа включительно и еще более тяжелые элементы, образующиеся при взрыве сверхновой, выбрасываются в космическое пространство. Часть такого обогащенного звездного вещества позже оказывается в составе звезд нового поколения и планет, которые их окружают. Эти атомы есть и в нашем теле. Кальций в наших костях, железо в нашей крови и кислород, которым мы дышим, – все это образовалось когда-то давно при взрывах сверхновых. Это же касается меди, из которой изготавливают проволоку, серебра, золота и платины, идущих на ювелирные украшения, галлия, используемого в электронике. Раффельт указывает: «Поскольку нейтрино играют важнейшую роль при звездных взрывах, мы обязаны этим частицам самим нашим существованием». Если бы не нейтрино, то Вселенная, возможно, была бы абсолютно пустой, неприглядной и совершенно непригодной для развития жизни.

Горстка нейтрино от взрыва сверхновой 1987А, которые нам удалось зафиксировать, вкупе с астрономическими наблюдениями послужила физикам-теоретикам отличным материалом для проведения масштабных и сложных моделирований на суперкомпьютерах. Задача этих моделей – продемонстрировать, как разрушается гигантская стареющая звезда, а ее ядро превращается в сверхплотный шарик из нейтронов (нейтронную звезду) или черную дыру. При этом внешние оболочки отслаиваются, образуя сияющее газопылевое облако. Сегодня, рассматривая один из снимков, полученных космическим телескопом «Хаббл», мы видим яркое кольцо и две словно переплетенные петли. Вероятно, это вещество, выброшенное звездой-прародительницей, а впоследствии подсвеченное ультрафиолетовым сиянием от взрыва сверхновой. Но в этой картинке недостает одной важнейшей детали. Учитывая примерную массу звезды-прародительницы, астрономы полагают, что ее ядро должно было превратиться в нейтронную звезду, но обнаружить эту звезду пока не удается. Возможно, эти звездные останки скрыты в облаке космической пыли.

Конечно, нам удалось зарегистрировать буквально считаные нейтрино, образовавшиеся при взрывах сверхновых. Тем не менее такие нейтрино позволили выяснить некоторые важные аспекты того, как именно взрывается массивная звезда на закате своего существования. Астрофизики, участвовавшие в этих исследованиях, с удовлетворением обнаружили, что количество зарегистрированных ими нейтрино и энергии этих частиц согласуются с прогнозируемыми характеристиками взрыва, полученными в результате теоретических расчетов. Поскольку теория и наблюдения в данном случае превосходно соответствовали друг другу, исследователи заключили, что сверхновая отнюдь не теряет энергию в ходе какого-то таинственного процесса. В частности, удалось исключить спекуляции о том, что нейтрино сами испускают гипотетические экзотические частицы, так называемые «аксионы», либо просачиваются в загадочные иные измерения. Прибытие некоторых нейтрино с запаздыванием в несколько секунд относительно основной массы подтвердило, что им требуется некоторое время, чтобы вырваться из исключительно плотного сжатого ядра – как и предполагалось.

Эти измерения не только поведали ценную информацию, касающуюся динамики сверхновых звезд, но и помогли ученым лучше понять природу самих нейтрино. Поскольку нейтрино попали на Землю более чем за три часа до того, как взрыв сверхновой удалось сфотографировать и наблюдать в оптические телескопы, можно было сделать вывод, что скорость нейтрино очень близка к скорости света. Чем легче частица, тем быстрее она перемещается, поэтому ученые предположили, что масса нейтрино очень мала. Исходя из того, сколько времени нейтрино затратили на путь от сверхновой 1987А до Земли, ученые пришли к выводу, что, несмотря на подлинное изобилие нейтрино, вряд ли именно из них состоит таинственная темная материя, наполняющая всю Вселенную. Более того (как вы уже знаете из главы 1), когда в 2011 г. в СМИ развернулась шумиха о том, что нейтрино якобы летят быстрее скорости света, один из наиболее серьезных контраргументов был связан именно с наблюдениями этой сверхновой. Если бы скорость нейтрино действительно превышала скорость света (о чем изначально сообщили ученые из коллаборации OPERA), то нейтрино со сверхновой 1987А должны были опередить видимый свет на целые годы, а не на три часа.

Сверхновая 1987А подогрела интерес астрофизиков к тому, какие именно процессы протекают в недрах умирающих звезд. «Вообразите, как много нового мы бы узнали, если бы смогли отловить тысячи нейтрино от какой-нибудь сверхновой, которая взорвалась бы поблизости от Земли», – размышляет Алекс Фридленд. Такое экстраординарное явление позволило бы нам не только проследить всю череду событий, разворачивающихся при таком взрыве, но и точно узнать, что же останется после взрыва: черная дыра или нейтронная звезда. Специалисты по физике частиц также интересуются нейтрино, приходящими от сверхновых, поскольку возникает редчайшая возможность наблюдать, как ведут себя эти частицы в экстремальных условиях, которые невозможно смоделировать в лаборатории.