Виктор Комаров - Новая занимательная астрономия

Существование конечной массы у нейтрино могло бы снять и эту трудность. На самом раннем этапе расширения Вселенной в нейтринном газе, заполнявшем мировое пространство, могли возникать небольшие случайные неоднородности. Однако в этот период нейтрино обладали очень высокой энергией и двигались с околосветовыми скоростями. Силы тяготения небольших сгущений было недостаточно, чтобы такие нейтрино удержать. И они постепенно распадались, „рассасывались“.

Однако по мере расширения скорости нейтрино уменьшались и, как показывают расчеты, примерно через 300 лет после начального момента достаточно массивные сгущения уже могли их „захватывать“. Эти сгущения должны были обладать массой порядка 10 15солнечных масс. Они постепенно становились все более массивными, вовлекая в себя своим мощным притяжением новые нейтрино, а спустя около миллиона лет после начала расширения и обычное вещество — нейтральный газ. Накапливаясь в центральных частях невидимых нейтринных неоднородностей, оно формировалось в скопления галактик, которые мы и наблюдаем. Согласно расчетам, масса этого вещества была в несколько десятков раз меньше общей массы нейтринных сгущений.

Таким образом, подавляющая часть массы первичных неоднородностей, из которых впоследствии образовались скопления галактик, являлась для реликтового излучения „невидимой“ и не могла привести к нарушениям его изотропии. Массы же обычного вещества, входившего в состав нейтринных неоднородностей, явно недостаточно, чтобы вызвать такие флуктуации интенсивности реликтового излучения, которые можно было бы обнаружить с помощью современной аппаратуры. Тем самым, если нейтрино обладает конечной массой, то противоречие, возникшее между современной теорией происхождения галактик и результатами наблюдения реликтового излучения полностью снимается.

Есть, наконец, и еще одна весьма важная проблема, в решение которой обнаружение конечной массы нейтрино может внести недостающую ясность.

Астрофизиков на протяжении ряда лет беспокоит проблема так называемой скрытой массы. Дело в том, что массу скоплений галактик можно определить двумя способами. Во-первых, по светимости: чем больше масса скоплений — тем выше их светимость. И, во-вторых, по закону тяготения, исходя из наблюдения взаимных движений галактик в скоплениях. Оказалось, что массы одних и тех же скоплений, определенные разными способами, не совпадают — массы, рассчитанные по закону тяготения, во много раз превосходят массы, вычисленные по светимости. Одно из возможных объяснений состоит в том, что в скоплениях имеются несветящиеся объекты, которые вносят свой вклад в их общую массу, но никак не сказываются на светимости. Именно эти „скрытые массы“ и разгоняют галактики в скоплениях до больших скоростей. Возникла проблема: какова физическая природа „скрытых масс“?

Был высказан ряд предположений: газ, пыль, слабосветящиеся звезды, черные дыры. Однако ни одно из них по тем или иным причинам не давало удовлетворительного ответа на возникший вопрос. Положение и по сей день остается до известной степени неопределенным. Определенность могут внести нейтрино. Если эти частицы обладают конечной массой, то их вклад в общую массу скоплений галактик способен покрыть загадочный дефицит массы, возникающий при разных способах ее определения.

Но все это — если… Вернемся теперь еще раз к вопросу о массе нейтрино. В какой мере достоверным можно считать вывод о том, что эта масса не равна нулю?

Как известно, существование нейтрино было предсказано в результате изучения так называемого бета-распада — физического процесса, при котором ядро одного химического элемента испускает электрон и превращается в ядро другого химического элемента. Было замечено, что энергия вылетающего электрона в ряде случаев оказывалась меньше, чем это следовало из теоретических расчетов. Известный швейцарский физик В. Паули предположил, что недостающую энергию уносит с собой еще неизвестная науке нейтральная частица, слабо взаимодействующая с веществом и потому остающаяся незамеченной. Этой частицей и оказалось нейтрино.

Но тот же процесс бета-распада может в принципе послужить косвенным индикатором для выяснения вопроса о массе нейтрино. Именно таким путем и шли советские физики. Для измерений был использован процесс бета-распада трития, при котором ядра атомов этого элемента, испуская электроны, превращаются в ядра атомов изотопа гелия. Если масса нейтрино равна нулю, то среди электронов, испускаемых ядрами трития, должны присутствовать электроны, обладающие максимально возможной для этого процесса энергией. В том же случае, если нейтрино обладают конечной массой, то максимальная энергия вылетающих электронов будет несколько меньше — и эта разница зависит от величины массы нейтрино.

Как раз в результате такой серии экспериментов, осуществленной в Институте теоретической и экспериментальной физики, и был сделан предварительный вывод о наличии у нейтрино массы, отличной от нуля.

В последние годы проблемой массы нейтрино занимались также американские физики. В своих измерениях они исходили из того, что при наличии конечной массы нейтрино одного „сорта“ могут превращаться в нейтрино другого „сорта“, а при нулевой массе такие превращения не могут иметь места. Ученые, проводившие соответствующие эксперименты, сообщили о том, что переходы, о которых идет речь, ими обнаружены. Правда, величину массы нейтрино они оценили несколько ниже, чем советские ученые. Однако спустя некоторое время появились сообщения, которые ставили этот результат под сомнение…

Таким образом, положение остается неопределенным и для уверенного заключения потребуются еще многочисленные эксперименты и наблюдения. Но напрашивается одно любопытное сопоставление. К открытию нейтрино привела необходимость объяснить недостачу энергии при бета-распаде. Самим своим существованием нейтрино разрешило возникшую загадку. Быть может, ситуация в какой-то мере повторяется? В современной астрофизике, как мы видели, имеется ряд загадок, которые получили бы свое решение в случае наличия у нейтрино конечной массы. Один раз с помощью нейтрино удалось объяснить недостаток энергии, возможно, теперь удастся объяснить недостаток массы. Как справедливо заметил один известный астрофизик, если окажется, что масса нейтрино все-таки равна нулю, то придется „изобрести“ другую частицу, очень слабо взаимодействующую с веществом, но обладающую конечной массой.

Разумеется, аналогии в физике и астрономии не обладают доказательной силой. Но стимулировать дальнейшие исследования в изучении вопроса о массе нейтрино они могут и должны.