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

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] Именно в письме к Бааде признавался: «Я совершил ужасный поступок. Заявил о существовании частицы, которую невозможно обнаружить». – Прим. авт. . 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] В России наблюдения ведутся на Баксанской нейтриной обсерватории. – Прим. ред. 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.

Если компьютер SNEWS обнаружит, что сигналы от двух детекторов поступят с небольшой разбежкой (порядка 10 с), то он разошлет оповещение об этом по всем обсерваториям в мире. Чтобы сигнал распространялся с максимальной скоростью, система должна работать без участия человека. Скулберг и ее коллеги надеются, что наземные и орбитальные телескопы рано или поздно зафиксируют электромагнитное излучение от взрыва сверхновой – в частности, оптическое, рентгеновское или радиоизлучение, – что позволит наблюдать развитие сверхнового взрыва, начиная с самых ранних этапов. Есть только одна загвоздка: большинство детекторов нейтрино не позволяют с уверенностью определить, откуда именно пришли эти частицы, поэтому астрономам будет не так просто найти сверхновую. «Тем не менее оповещение позволит немедленно подключить к поискам телескопы с широким полем обзора. Плюс у нас есть множество астрономов-любителей; многие из них превосходно умеют искать новые объекты в небе, – считает Скулберг, – идея заключается в том, чтобы после сигнала как можно больше людей начали искать эту звезду по всему небу и у нас был шанс заметить вспышку пораньше».

Скулберг подчеркивает, что «изучив нейтрино, возникшие при сверхновом взрыве в Галактике, мы узнаем ответы на множество вопросов. Такое событие можно сравнить с информационным рогом изобилия». Детекторы зафиксируют, как со временем изменяются количество и энергия поступающих нейтрино; эти данные помогут понять, как разворачивается взрыв. В частности, ученые смогут определить, сжимается ли звездное ядро до предела, превращаясь в черную дыру, откуда ничто не может ускользнуть – даже нейтрино, – либо вскоре коллапс приостанавливается, и на месте сверхновой остается нейтронная звезда. Если в итоге образуется черная дыра, то поток нейтрино внезапно прекратится. Если же в итоге мы получим нейтронную звезду, то этот звездный огарок будет продолжать испускать нейтрино еще примерно на протяжении 10 с после того, как полностью остынет, он не сразу иссякнет. Скулберг поясняет, что во втором случае «мы сможем наблюдать изначальное охлаждение нейтронной звезды и исследовать свойства сверхплотной материи».