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

Как астрофизики, так и специалисты по физике частиц смогут достичь многих упомянутых целей, если коллапс звездного ядра, сопровождаемый взрывом сверхновой, произойдет в нашей Галактике. Однако в Млечном Пути таких взрывов не наблюдалось с 1604 г., когда звездочеты (а также немецкий математик Иоганн Кеплер) заметили «новую звезду» в созвездии Змееносец. В апогее взрыва сверхновая сияла настолько ярко, что была видна даже днем. Современные телескопы – оптические, рентгеновские и радиотелескопы – позволяют наблюдать остатки этой сверхновой, которые представляют собой оболочку из раскаленного газа. Всего за три десятилетия до того, как в 1604 г. Кеплер наблюдал сверхновую, европейцы видели еще один такой взрыв. Легендарный датский астроном Тихо Браге наблюдал другую сверхновую в 1572 г. в созвездии Кассиопеи, о чем писал так: «Я заметил, что новая и необычная звезда, превосходящая все остальные звезды по блеску, сияет почти прямо над моей головой. Я был настолько изумлен этим зрелищем, что мне даже не было стыдно усомниться в достоверности моих собственных глаз. Но когда я увидел, что другие, когда им указывалось на место, могли видеть, что там действительно есть звезда, у меня не было больше сомнений». На самом деле наблюдения сверхновой, тщательно выполненные Тихо в 1572 г., впервые позволили понять, что небеса не неизменны – несмотря на то, что Аристотель утверждал обратное, а в XVI в. аристотелевскую точку зрения еще разделяли многие европейские философы.

Исторические документы и петроглифы позволяют заключить, что за последние несколько тысячелетий можно было наблюдать невооруженным глазом еще несколько сверхновых. Пожалуй, древнейшее такое свидетельство найдено в Китае: это запись, вытравленная на кости около 1300 г. до н. э. В ней упоминается «Великая новая звезда», которая была видна в небе рядом с другой яркой звездой – Антаресом. В китайской хронике «История династии Поздняя Хань» говорится о «звезде-гостье», которая появилась в 185 г., а затем медленно угасала в течение нескольких месяцев. В 1006 г. о сияющей сверхновой сообщают европейские монахи и египетский астролог; вероятно, это было самое зрелищное из когда-либо зафиксированных астрономических явлений. Хронист из бенедиктинского монастыря в швейцарском кантоне Санкт-Галлен так описывал это событие: «Явилась новая звезда невиданного размера, которая все время мерцала и слепила глаза, вызывая панику… она была видна около трех месяцев у южного края неба, за пределами всех созвездий, какие есть в небесах». Ученый Али ибн-Ридван, находившийся в Каире, писал: «Это чудо явилось в зодиакальном созвездии Скорпиона, в противостоянии Солнцу… Небо заметно посветлело из-за света звезды. Сила ее света немного превосходила четверть силы лунного». Сверхновая 1054 г., из расплывшихся остатков которой образовалась знаменитая Крабовидная туманность в созвездии Тельца, упоминается в китайских, японских и арабских хрониках. Некоторые ученые полагают, что и индейцы анасази, жившие на юго-западе североамериканского континента также запечатлели ее на своих наскальных рисунках.

В 1930-е гг. астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки из Калифорнийского технологического института пришли к выводу, что, поскольку сверхновые отлично видны на межгалактических расстояниях, они должны быть невероятно яркими. Бааде, родившийся в Германии, был щепетильным наблюдателем и вежливым любезным человеком. В Гамбурге он познакомился с Вольфгангом Паули, и они навсегда стали друзьями[31]. Паули и Бааде даже написали в соавторстве научную статью об изогнутых формах хвостов комет. Бааде перебрался в Калифорнию в 1931 г. и стал работать в обсерватории Маунт-Вилсон. В годы Второй мировой войны Бааде сохранил немецкое гражданство, поэтому находился под наблюдением спецслужб как потенциальный лазутчик. Он провел множество ночей за окуляром 2,5-метрового телескопа Хукер (на тот момент – крупнейшего в мире), делая снимки тусклых далеких галактик. Шла война, поэтому в расположенном неподалеку Лос-Анджелесе действовала светомаскировка, и заниматься астрономией было особенно удобно. Опираясь на работы Эдвина Хаббла, Бааде установил, что Вселенная гораздо обширнее, чем предполагалось ранее.

Цвикки, в отличие от своего коллеги, был человеком склочным и самоуверенным, любил называть своих врагов «сферическими ублюдками» («сферическими», объяснял он, так как они кажутся ублюдками, с какой стороны на них ни взгляни). Цвикки родился в Болгарии, но родители его были швейцарцами. Цвикки провел детство в Швейцарии у бабушки и дедушки, в Швейцарии же впоследствии познакомился с Вольфгангом Паули и Альбертом Эйнштейном. Защитив докторскую диссертацию в Цюрихе, он отправился в Калифорнийский технологический институт для повышения квалификации и остался в Калифорнии на должности профессора. Цвикки увлекался горнолыжным спортом и альпинизмом, ценил соревновательный дух как в спорте, так и в науке. Среди многообразных открытий Цвикки следует отметить такое: он установил, что бо́льшая часть массы в скоплениях галактик приходится на так называемую «темную материю». Он также предположил, что галактики, расположенные поблизости от нас, могут действовать как «гравитационные линзы», искривляя и усиливая свет других галактик, расположенных дальше, но находящихся на той же оптической оси. Несмотря на столь разные характеры, Бааде и Цвикки как-то смогли сработаться (хотя позже Бааде опасался, что Цвикки может учинить над ним физическую расправу).

В провидческой статье, опубликованной в 1934 г., Бааде и Цвикки писали: «Со всеми подобающими оговорками мы выдвигаем гипотезу, что сверхновая представляет собой переходную стадию от обычной звезды к нейтронной, состоящей главным образом из нейтронов. Такая звезда может обладать очень малым радиусом и чрезвычайно высокой плотностью». Их озарение кажется тем более примечательным, учитывая, что нейтрон был открыт всего двумя годами ранее. Затем Цвикки решил найти как можно больше сверхновых, вооружившись для этого телескопом с широким полем обзора. За всю жизнь Цвикки открыл более 120 сверхновых.

Современные астрономы, занимающиеся наблюдением других галактик, полагают, что в Млечном Пути каждые 100 лет должны взрываться хотя бы несколько массивных звезд. Но мы вполне можем пропустить сверхновую, если взрыв произойдет слишком далеко от нас, так как межзвездная пыль не позволяет заглянуть в дальние пределы нашей галактики. Действительно, недавние наблюдения, выполненные в рентгеновском и радиодиапазоне, показали, что около 150 лет назад вблизи от центра Галактики произошел сверхновый взрыв, который, однако, на Земле остался незамеченным. Но если межзвездное вещество и заслоняет от нас видимый свет сверхновой, оно не в силах остановить поток нейтрино. Поэтому сильный всплеск нейтрино должен означать, что где-то в Млечном Пути погибла массивная звезда. Мы располагаем высокочувствительными детекторами нейтрино, которые работают уже около четверти века, но пока не зарегистрировали взрыва сверхновой в нашей Галактике. Раффельт отмечает: «Такой шанс бывает раз в жизни, поэтому мы должны быть начеку».

Кейт Скулберг из Университета Дюка придерживается такого же мнения. Она вместе с коллегами участвовала в создании Системы раннего оповещения о взрывах сверхновых (сокращенно SNEWS). Это централизованная сеть, призванная максимально оперативно зарегистрировать коллапс звездного ядра, если такое явление произойдет в Галактике. По всему миру установлены детекторы, которые могут зафиксировать потоки нейтрино от сверхновой; планируется, что такие детекторы (например, «Ледяной куб» в Антарктиде, Large Volume Detector и Борексино в Италии, Super-K в Японии)[32] позволят выделить «потенциальные» сверхновые взрывы и отправят всю эту информацию в Брукхейвенскую национальную лабораторию на острове Лонг-Айленд, штат Нью-Йорк. «Если сразу несколько детекторов нейтрино сработают одновременно, вполне вероятно, что где-то неподалеку произошел взрыв сверхновой», – объясняет Скулберг.